声学材料的一个世纪（下篇）
来源：南大双创
六、南京大学在声学材料领域的研究
题记：
星星之火，可以燎原
——出自《尚书·盘庚上》我校是我国最早开设声学课程与声学专业本科教育的大学。1954年，魏荣爵院士在南京大学物理系创办了声学专业，建立国内首个声学教研室。2009年12月30日，学校根据学科划分的原则在原有的物理学系、电子科学与工程系和材料科学与工程系的基础上，新组建成立了物理学院、电子科学与工程学院、现代工程与应用科学学院。其中，物理学院声学专业是全国唯一的声学本科研究型人才培养基地，并建设有“近代声学教育部重点实验室”。现代工程与应用科学学院，经过21世纪初近20年的发展，在声学材料领域也逐渐培育起了以凝聚态物理为基础的声学超构材料专业方向。
同时声学作为一门多学科交叉的学科，也吸引了很多不同技术方向的研究力量。在多学科交叉领域，南京大学固体微结构物理国家重点实验室从凝聚态物理、量子材料等前沿视角出发，发展了独具特色的声子晶体、声学超构材料技术。实验室的研究成果“声子晶体等人工带隙材料的设计、制备和若干新效应的研究”荣获2015年度国家自然科学二等奖。该项目发现了声子晶体等人工带隙材料中的新效应并研制了一系列新材料和原型器件：发现了声波在声子晶体中负折射和双负折射的新规律，被评为中国基础研究十大新闻；提出“波矢跃迁”新原理并实现了声波二极管。《科学》等杂志对此做了亮点评述；发现了声波异常透射效应及声表面倏逝波，拓展了声波亚波长材料与器件的研究领域。这些发现在这个领域产生了重要影响，为声功能材料与器件的发展提供了新的思路。
其中，拓扑态是近年来凝聚态物理研究的热点问题，三维体系中光/声拓扑态引人注目，其潜在的优势是提供一个二维拓扑表面用于操控光/声的传输，实现一些如折射、成像等一维波导无法实现的拓扑现象和功能。在空气声学拓扑绝缘态研究中的挑战源于其自旋为零的纵波特性，其解决的途径之一是利用人工微结构的空间对称性为声构造一对人工自旋。尽管在二维体系中已有多种成功的设计，但并不能通过直接堆叠二维声拓扑绝缘体的方式实现三维。这是因为维度的扩展会带来额外的层间耦合，在很大程度上会破坏原来基于二维对称性的声人工自旋。
而其能带结构的拓扑性质使其边界态具有“背散射抑制”的传输特性。该边界态因为受到拓扑对称性保护而具有鲁棒特性，可以免疫各种不同的缺陷（及转角）和杂质，保证了传输具有新的空间传播自由度和近乎为零的散射损耗。在前期二维声/光学拓扑态的研究基础上，固体微结构物理国家重点实验室的研究人员又将声学拓扑态从二维推广到三维体系。
图22.三维拓扑声子晶体单向传输特性
研究组利用声学微腔构造了由双层六角晶格堆砌而成的三维声子晶体，实现了空气纵声波的赝自旋以及赝自旋-能谷耦合表面态。实验测量表明：这种三维拓扑声子晶体具有强背散射抑制的界面传输特性，弯折缺陷对透射率的影响很小。这种拓扑传输在整个二维界面内均可实现；此类构型也可用于表面态滤波，用于实现表面慢声传输以及高品质因子的表面声学微腔。
在此基础上，研究团队进一步发展了利用打开杂化声狄拉克点简并来实现三维声拓扑绝缘态的新机制。一般情况下，三维体系中的狄拉克点或外尔点沿任意方向均呈线性色散。本文考虑的却是一种具有方向性线性色散的简并点，通过破缺特定对称性，可打开该简并形成拓扑带隙。在其带隙中实现具有方向性色散的二维声拓扑表面态。
实验上，研究团队精确选择结构参数并通过3D打印技术制备了三维拓扑声子晶体（图二十三(a)）。通过实验测量二维声拓扑表面态的方向性透射谱（图二十三(b-d)），证实了其沿正z方向的无能隙特性。而随着入射角度的变大，其拓扑表面态也会逐渐打开带隙。此外，还通过扫描沿z向半开放边界的声场分布，经过傅里叶变换得到了kz的表面色散，从而证实了存在类狄拉克二维表面色散。
声学拓扑态，这一前沿领域的重要性在于：1）在三维声学体系中，提出并实现了一种全新的具有方向性色散的拓扑声表面态，意味着声学拓扑体系不仅可作为验证已发现拓扑材料的平台，还可用于研究和探索新型拓扑现象，以加深人们对拓扑物理本质的认识。2）对声学拓扑表面色散的操控有望用于开发一些诸如方向性慢声，基于二维声学拓扑表面的声传感等独特的应用。
南京大学的声学研究，经历了60余年的发展，已经形成了视野广阔、前沿多样、尖端突出的发展特点，是国内为数不多的物理声学专业研究团队。在声学材料方向，尤其是拓扑声学、声学超构材料等前沿方向，特色鲜明，独树一帜。相关领域的研究也正在由前沿基础科学研究，向实用化、工程应用方向逐步展开。
图23.(a) 声学样品示意图。左下:俯视放大图；右下：侧视放大图；(b) 实验设置图：用于测量二维声学表面态的方向性色散；(c) 三张声表面态色散切片图，分别对应角度0，arctan(0.5a/8h)和arctan(a/8h)。(d)不同方向声透射谱的实验测量结果。其中，红、青、蓝分别对应切片1-3。(e) 实验设置图，用于测量z向声表面色散。(f) ky=0时的声表面态色散切片。(g) z向声表面色散实验测量图
七、声学材料的未来展望
题记：
不积小流，无以成江海
——出自《荀子·劝学》本文中我们首先从能量守恒的视角简要介绍了声学材料的基本现象与原理，然后对对工程中常见的传统声学材料和相关的最新成果进行了简述，最后简单分析介绍了声学材料研究和设计的基本原理与基本方法。围绕声学材料进行科学知识的普及，希望对读者有所启发。
而声学材料及其相关的新材料、新设计、新工艺将会在新基建浪潮中发挥巨大的作用。以“新”字为题眼，结合本文中所提及的内容，作者也希望对声学材料，尤其是面向新时代的声学治理材料提出一些概括性的未来展望。
多功能声学材料声学材料，从原理上讲是将弹性波的机械能转化为介质的内能，以此来消耗和减弱声波。热力学原理主导了中高频段的吸声原理。因此声学材料从某种意义上讲都可以视作一种不错的绝热材料，也就是说声学材料从发展以来就是一种复合功能的材料。那么沿着这一思路，我们可以展望，未来的声学材料在绝热功能之外，可以会复合更多的实用功能。例如，声学材料复合以疏水疏油的表面材料，使其具备良好的抗污功能；结合光触媒材料，复合甲醛降解功能；附加骨架和超结构，使其具备良好力学性能，可以独立构成轻质隔墙，不一而足。发展多功能声学材料，应当是未来声学材料工程技术研究的一个要点之一。
极端性能声学材料声学材料，目前主要工作频段在1000Hz以上的中高频段，而且其理论设计性能只能在低流速（0-10米每秒）、20摄氏度上下和一个大气压环境下才能起效。虽然这些条件，已经完全覆盖了人类生存的主要环境条件。但是面对越来越复杂的大机器大工业和新基建新工业的近期未来，一般环境条件下工作的声学材料已经逐渐无法适应新历史时期的发展要求。极端工况下如低频（100-1000Hz）、超低频（0-100Hz）、高流速（0.5-1Ma）、高低温（200摄氏度以上、0摄氏度以下）、高低压（大于2-3atm、小于0.3atm）等环境条件下的声学材料性能，难以仅仅依靠传统材料来有效实现。发展面向极端性能、且经济适用的声学超构材料，是当下以及未来十到二十年声学材料基础科学研究的重大方向。
人工智能+声学材料声学材料设计，主要还是先试制后验证的依靠工程经验的传统手工模式，多孔介质模型的半唯象性更是进一步固化了这一研发模式。另一方面，微宏法及其相关的算法，十分依赖计算能力，在他们被提出的70年代被认为是不可能完成的海量计算任务。幸运的是，依靠新时期发展起来的超级计算、云计算等高速计算技术，我们已经能够对声学材料内部微结构进行比较精细化的模拟仿真，实现足够的经验数据积累。在此多孔材料大数据基础上，希望有一天能够通过机器学习和人工智能的算法，突破传统半唯象模型的限制，真正实现声学材料从微结构到生产制备工艺的全链路正向设计。
互联网+声学材料前面提到的主要是声学材料研究方向上的展望，在声学材料应用方向，以物联网为核心的新一代互联网技术也可以与声学材料的应用融合发展新的技术。设想在城市中建设一个分布广泛的环境噪声监测网络，将其与智慧城市系统中的交通、供电、气象等相关子系统深度融合，打造一套城市声环境综合监测系统，并在此之上打造都市声学大数据系统。依靠这些数据，我们就能够分析噪声在时域、频域、区域、模式等多维度上的分布，集合交通和人口数据，可以为新都市建设提供声学环境治理方案，提出经济适用的声学材料选型。在积累同类城市数据的基础上，可以对声学材料市场进行预测，分析出什么样类型的材料适合未来市场需求，市场需求量有多大，对声学材料的生产给出指导性的意见。
联系当年中国特色社会主义发展的新时期和新形势，作者认为声学工程技术的研究对提升现代高密度城市的宜居性和提高各类交通工具乘坐舒适性，都有着巨大的推动作用。这其中声学材料作为重要的核心技术，具有相当的普适性和普惠性。
声学材料，未来可期
参考书籍
[1] Strutt J W, Rayleigh B. The theory of sound[M]. Dover, 1945.[2] Zwikker C, Kosten C W. Sound absorbing materials[M]. Elsevier, 1949.[3] Ingard U. Noise reduction analysis[M]. Jones & Bartlett Publishers, 2009.[4] Morse P M C, Ingard K U. Theoretical acoustics[M]. Princeton university press, 1986.[5] Allard J, Atalla N. Propagation of sound in porous media: modelling sound absorbing materials 2e[M]. John Wiley & Sons, 2009.[6] Deymier. Acoustic Metamaterials and Phononic Crystals[M], Springer,2013.[7] José Sánchez Dehesa, Vicente Cutanda Henríquez. Visco-thermal Effects in Acoustic Metamaterials Based on Local Resonances[M], John Wiley & Sons 2019.传送门：
上篇：声学材料的一个世纪（上）