比翱工程实验室丨主动与被动控制声学超材料的最新进展：综述
创新研究
• 声学超材料和主动压电式声学超材料的最新进展。• 被动声学超材料和主动压电声学超材料之间的联系和区别。• 设计、结构优化、声学性能与应用评估。• 概述正在快速兴起的多孔声学超材料和主动压电声学超材料。• 确定新兴研究领域中的应用与潜在挑战。Walser定义了超材料，他指出超材料的命名是为了识别和强调它们的目的，即改善材料性能，超越传统复合材料的限制[1]。在实践中，超材料通常是由周期性亚波长结构组成的人造材料，其特性和功能通常在自然界中找不到[2]。
开发超材料的最早研究工作涉及电磁学。通常，定义介质中电磁场行为的基本参数是相对介电常数、相对磁导率和折射率，它们通常是大于或等于1的正数。Veselago指出，在19世纪中叶，同时具有负介电常数和负磁导率的介质可能会导致电磁场中的负折射[3]。然而，直到大约30年后，当Pendry创建了导线介质结构[4]和裂环结构[5]以分别生成负介电常数和负磁导率，人们才知道如何制造具有负折射率的材料。受到Pendry工作的启发，Smith等人提出了具有高工程可行性的所谓双负超材料[6]，并首次在实验室观察到了反常负折射现象[7]。电磁超材料的概念推动了光学的快速发展[8-10]以及相关的声学领域 [11,12] 、机械振动[13,14]甚至热传导[15-17]，其中波具有相似的物理特征。
声学超材料(AMs)是具有异常有效特性的人造材料，可以操纵声波，并在过去二十年中得到了大量研究。上表总结了超材料领域的研究里程碑，特别是AMs。被动AMs通常无法将外部能量输入到声波中。最初的被动亚波长超原子是为了展示高的声音传输损耗而创建的[11] ，随后被动AMs以空间盘绕结构的形式分为亚波长超原子和周期性声学超表面，亥姆霍兹谐振器、膜谐振器和多孔超材料等。
近年来，有源（主动控制）单元开始被纳入AMs。例子包括压电分流、改变特性的结构变形、可控的温度、压力、电场和磁场效应。主动控制AMs提供了在可调频率下异常有效材料特性的机会；具体而言，有源压电AMs具有巨大的潜力，因为AMs与固态电子控制相结合。已确定的潜在应用包括异常波处理、非凡的吸音和隔音、声学聚焦以及二维和三维空间中的隐形，远远超出传统材料。
从分析[30-33]和工程[34-37]的角度对AMs的发展进行了广泛的研究，从早期发现的负有效特征到其不同的功能和含义。一些新的研究方向和早期成果已得到广泛阐述，包括流体、弹性和机械材料中的波操纵、石墨烯激发的AMs、非互易AMs、单向隔音材料、柔性AMs和主动控制AMs等[30–38]。这些综述主要强调AMs的基本概念和应用，但超材料和AMs的研究里程碑并未明确概述。因此，仍有必要对空气吸声、隔声和能量收集方面最有前景的应用进行全面研究。
这些一般性评估突出了研究主动控制AMs的光明前景和越来越多的努力，这可能能够克服被动AMs的挑战并提高其在相关应用中的有效性[30-38]。其他研究人员对主动可调AMs的研究进展进行了概述，其工作原理从机械因素（如形状变形、可控压力和流体-结构相互作用）到电子因素（如电场、磁场和压电分流方法）不等[39–41]。其中，主动压电AMs吸引了越来越多的研究兴趣，因此需要了解被动AMs和主动压电AMs之间的关系，并为压电AMs领域的未来研究确定潜在的研究方向。因此，需要进行全面的研究，以清楚地了解与被动AMs和主动压电AMs相关的当前研究和工程挑战。因此，考虑到被动AMs和主动压电AMs的巨大潜力和电子控制能力，需要对其相关的研究前沿进行重新评估。本综述旨在提供这种联系，并详细探讨被动AMs和主动压电AMs之间的区别。因此，它提供了AMs的简要概述、研究见解以及从被动AMs到主动压电AMs发展的相关术语和概要。
在目前的工作中，AMs的分类是基于其基本的材料力学和物理机制。综合评估侧重于AMs的进展，包括设计概念、材料、制造技术、结构优化、各种增强声学性能和应用。研究团队描述了许多问题的实际解决方案，同时提出了一系列未解决的问题。此外，还系统地概述了快速出现的多孔AMs和主动压电AMs，介绍了基本设计概念和结构优化方面的最重大进展，并结合实际制造，以实现各种异常声学特性。最后，本综述确定了这一吸引人的研究领域的应用和潜在挑战。
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总结与展望
声学超材料和超表面的领域在过去二十年中迅速发展。AMs的反常材料特性被认为是对传统材料特性的突破，这可能促成许多新兴技术的突破行业的发展。在物理和工程应用方面，人们提出了令人振奋的前景，如吸声器和抑制器、波操纵、隐身、能量收集、通信、成像以及性能改进、小体积或轻量化的医疗设备等。
然而，仍然存在限制AMs实际应用的重大挑战。最初，AMs是被动结构，其主要缺点在于固有的窄带隙。换句话说，具有异常性能的有效频率范围较窄，由结构共振决定。此外，在被动AMs中，设计的亚波长结构表明共振频率处的高损耗导致高能量损耗。此外，被动AMs无法适应工作条件或环境的变化：其独特特性保持不变，严格符合设计结构参数。因此，无法在不同的使用条件下控制或优化卓越性能。最后，一些AMs，如被动膜谐振器，需要结构复杂，容易导致脆弱性，这对制造是一个挑战。主动压电式AMs提供了具有可调频带的非凡材料特性的可能。例如，将压电元件引入膜式或亥姆霍兹谐振器式AMs中，形成了一种电子控制和反馈机制。然后可以修改主动压电AMs的动态密度或模量，从而在可变和可控频带上产生负反射和折射。目前的研究主要集中在利用自适应外部电路来实现频率可调，传统的压电陶瓷材料被广泛采用作为主动压电元件。然而，主动压电式AMs仍有实质性改进的潜力。常用的压电材料与水具有可接受的声阻抗匹配，但与空气的匹配较差，导致声能泄漏到不期望的波模式。因此，在当前的主动压电AMs中，存在着效率、频率范围、器件尺寸和波前操纵能力之间的权衡。真正高效的宽带波操纵尚未在实际设备中实现。
声能量采集、异常波处理和降噪方面的潜在应用正在推动AMs的快速研究进展。降噪似乎是最有前途的应用之一。考虑到被动AMs的局限性，为各种应用开发主动压电AMs的目标是需要增加有效带宽、调整工作频率以及减小尺寸和重量。
近年来，利用多孔结构拓宽有效带隙的软质多孔材料正受到人们的关注。纤维材料是一种有效的开孔多孔泡沫材料，通过调整纤维直径和填料，易于进行密度控制[213–220]。这种方法可以提供改进的与空气的阻抗匹配。类似地，水凝胶[221]、弹性体[222]、气凝胶[131]和软纤维/珠状复合材料[115]等柔性材料已用于实现与空气匹配良好的AMs。气泡晶体是水中软AMs的代表，在分析[223，224]和实验[138，225]中已显示出有吸引力的带隙。使用分析气泡和泡沫的有效方法[226]，气泡AMs在波操纵应用方面具有巨大潜力，如水下全反射、绝缘和掩蔽[227–229]，以及增强的水-空气声传输[230]。受被动AMs的启发，基于纤维压电材料的主动软AMs在未来可能同时拓宽和调谐有效带隙。然而，活性纤维压电材料AMs的发展仍处于早期阶段，因此研究人员面临着在物理机制之间做出选择以及在制造方法限制范围内优化技术性能的挑战。
多功能主动压电材料AMs的发展是一个令人振奋的新研究方向，单一结构可以在外部电子控制下实现不同的超材料效应。这些是高度工程化的材料，具有复杂的结构，对制造提出了挑战。最近增材制造技术的快速发展为制造所需的具有优越性能的复杂结构提供了可能，包括混合压电材料和聚合物材料的机会。在未来的主动压电AM设计中，需要考虑温度、湿度、外部流动、曲率对结构和材料性能的影响。考虑到在过去十年中取得的巨大进展，AMs和主动压电AMs已经迅速成熟，并且似乎有可能在不久的将来对工程应用产生重大影响。
参考文献
原文来源
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