声学超构材料术语

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声学超材料

1超材料

1.1概述

超材料(Metamaterials)指的是一种特种复合材料或结构，通过在材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，使其获得常规材料所不具备的超常物理性质。超材料由自然材料制成的“积木块”(尺寸为微毫米级)构成。这些“积木块”称为人工原子(meta-atoms)，当不同的人工原子组合在一起时，会形成单个人工原子所没有的材料属性和功能特征。

一般情况下，常规自然材料的物理属性取决于构成材料的基本单元及其结构，例如原子、分子、电子、价键、晶格等。这些基元与显微结构之间存在关联影响。因此，在材料设计中需要考虑多种复杂的物性因素，而这些因素的相互影响也往往限定了材料性能固有极限。为此，超材料设计从根本上摒弃了自然原子设计所囿，利用人工构筑的几何结构单元，在不违背物理学基本定律的前提下，以期获得与自然材料迥然不同的超常物理性质的新材料。

简言之，超材料是一大类型人工设计的周期性或非周期性的微结构功能材料，具有超越天然材料属性的超常物理性能。超材料借助人工功能基元构筑的结构设计源起于(但不限于)对自然材料微结构的模仿，从而获得为人类所希冀的负折射、热隐身、负刚度、轻质超强等天然材料所不能呈现的光、热、声、力学等奇异性能。从这个角度讲，超材料的结构设计理念具有方法论的意义，解除了天然材料属性对创造设计的束缚。尽管这一理念早在上个世纪就已在电磁领域初具雏形，不过直至近十年来，方才开启研发电磁波的调控，以实现负折射、完美成像、完美隐身等新颖功能。随着先进制造技术的进步，具有更多样

化、更新奇力学特性的力学超材料物理模型也相继不断展现。尤其是当超材料的个性化独特微结构设计与3D打印制造技术形成了完美的契合之时，两者之间相互整合协同创新，正开启全面推进材料创新设计和制造的新格局。

基于空心钢管结构的声学超材料

ｊ＋一
—
材料的透射性质，结果表明空心钢管几何尺寸的改变对声学超材料的透射禁带频率有影响。关键词：空心钢管；超原子；声学超材料；透射禁带；
等效质量密度
中图分类号：ＴＢ３８１文献标识码：Ａ
面，制备出双层空心管结构样品Ｂ，如图２空心钢管结
等效质量密度。同时进一步研究了空心管几何尺寸与共振频率的关系。通过对共振结构的研究，能够更好地理解其谐振机理及谐振的因素。因此，在实际应用中，可以根据需要设计不同频段的负质量密度声学超
ｓｐｏｎｄｉｎｇｅｑｕｉｖａｌｅｎｔＬ— Ｃｃｉｒｃｕｉｔ
１引言
２ｏ世纪９ｏ年代，在电磁学领域，Ｐｅｎｄｒｙ设计两种共振微结构金属杆和开口谐振环［１］，这两种微结构的阵列可以分别实现电磁材料的等效介电常数和磁导率为负值，且排列金属杆和开口谐振环的复合电磁材料
ＤＯＩ：１０．３９６９／］．ｉｓｓｎ．１００１ — ９７３１．２０１３．２３．０１８

力学与声学超材料在船舶工程中的应用研究综述

力学与声学超材料在船舶工程中的应用

研究综述

摘要：声绝缘水平是声波反射到材料表面的能量,声吸收量是声波在材料内

部传输的能量。天然吸声材料遵循经典的波传播理论,即材料密度越高,隔音和吸

声效果越好。声学超结构材料作为一种新型的人造结构,在传统材料的基础上,组

合设计的微结构,实现了许多天然材料所没有的异常等效物理性能,大大增强了对

声波的控制能力,主要表现在同样的降噪能力上,超结构材料的声学厚度远远小于

传统材料。这种双负极材料在20世纪末发现后,大大提高了控制电磁波的能力,

推动了材料领域的发展。

关键词：力学与声学超材料；船舶工程；应用

引言

船舶与海洋工程结构长期工作于风、浪、流、高低温、光照、盐雾、腐蚀及

深海超高压等复杂的海洋环境中，船上推进装置及各类设备会产生较大的动载荷，从而造成船舶及海洋结构物的腐蚀、蠕变、振动、疲劳、噪声、屈曲和断裂等问题。对民用运输船舶来说，其主要追求结构的轻量化、安全性和舒适性。对军船

以及极地破冰船来说，需要考虑武器攻击的强非线性载荷、连续破冰时产生的瞬

态冲击力、在动力装置的推进下产生的水下辐射噪声等问题，其主要追求结构抗

爆抗冲击的安全性、声隐身性和振动舒适性等。但是，采用传统材料制造的船舶

已难以满足上述更高的综合工程需求。而超材料由于其性能的人工可设计性和性

能超颖性，成为解决上述难题的有效途径之一。例如，力学超材料的压阻效应及

吸能特性可以用于解决舰船抗爆抗冲击防护的难题，声学超材料的带隙特性可以

用于解决潜艇或水面舰船的全频段声隐身难题，电磁波超材料可以用于解决舰艇

声学超材料的构造与性能

声学超材料是一种具有特殊结构和性能的材料，能够引导、控制

和调节声波的传播。声学超材料的构造和性能对其在声学隔离、声波

透镜、声波吸收等领域的应用起着至关重要的作用。本文将从声学超

材料的构造和性能两个方面进行探讨。

一、声学超材料的构造

声学超材料的构造是指其内部结构的设计和制备过程。声学超材

料通常由多个微观结构单元组成，这些单元的尺寸远小于声波波长，

从而表现出特殊的声学性质。常见的声学超材料构造包括周期性结构、共振结构和多孔结构等。

1. 周期性结构

周期性结构是最早被应用于声学超材料构造的一种方法。通过周

期性排列的结构单元，声学超材料可以表现出负折射、声子带隙等特性。例如，一维周期性结构可以实现声波的反射和透射控制，二维周

期性结构可以实现声波的超衍射传播。

2. 共振结构

共振结构是利用谐振现象来实现声学超材料的构造。通过设计具

有特定共振频率的结构单元，声学超材料可以在特定频率范围内表现

出负折射、声子带隙等性质。共振结构的设计需要考虑结构单元的尺寸、形状和材料参数等因素。

3. 多孔结构

多孔结构是利用孔隙结构来实现声学超材料的构造。通过控制孔隙的形状、大小和分布，声学超材料可以实现声波的吸收、隔离和透射控制。多孔结构的设计需要考虑孔隙率、孔隙形状和孔隙间距等因素。

二、声学超材料的性能

声学超材料的性能是指其在声学传播过程中表现出的特殊性质和功能。声学超材料具有负折射、声子带隙、声波透镜、声波吸收等多种性能，可以广泛应用于声学隔离、声学透镜、声学吸收等领域。 1. 负折射

声学超材料可以实现负折射，即声波在超材料中的传播方向与传统材料中的相反。这种负折射性质可以用于声波透镜、声波隐身等应用，对声学信号的控制具有重要意义。

声学超结构在车内低频轰鸣声控制中的应用

2021年第4期

【摘要】针对某款轿车在30km/h 匀速行驶过程中产生明显的低频轰鸣声问题，通过测试和分析，确定了车内35Hz 噪

声峰值过高是引发该问题的直接原因，并判断出该频率峰值与尾门薄壁件振动密切相关。基于局域共振原理，设计了具有轻量化、小型化特征的声学超结构，并完成了谐振单元构型的选择与带隙设计、整车布置规划及谐振单元排布与基体框架设计。实车测试结果表明：贴附声学超结构后，前排和后排35Hz 车内噪声声压级分别降低了4.23dB(A)、5.77dB(A)。

主题词：声学超结构结构声控制局域共振车内低频轰鸣

中图分类号：U461.1

文献标识码：A

DOI:10.19620/ki.1000-3703.20200952

The Application of Acoustic Superstructure on Control of Low

Frequency Roaring in Vehicle

Tang Jiyou 1,Ding Weiping 1,Wu Yudong 1,Huang Haibo 1,Luo Deyang 2

（1.Southwest Jiao Tong University,Chengdu 610031;2.SAIC GM Wuling Automobile Co.,Ltd.,Liuzhou 545000）【Abstract 】Obvious low-frequency roaring sound is produced by a car model during the constant speed of 30km/h.By testing and analysis,it is determined that the high peak of 35Hz noise inside the car is the direct cause of this problem,and it is judged that the peak frequency is closely related to the vibration of thin-wall parts of the tail door.Furthermore,based on the principle of local resonance,a lightweight and miniaturized acoustic superstructure is developed,which involves the selection of its resonant unit configuration,band-gap design,vehicle layout planning,resonant unit

超材料的研究和应用前景

随着科技的不断发展，超材料逐渐成为学界和工业界研究的热点。超材料以其特殊的物理和化学特性而备受关注。不同于传统材料，超材料拥有精细的物理结构和微观特性，能够优化材料的性能和特性，满足不同的应用需求。超材料在电磁波、声波、光学、热学等领域具有广泛的应用，具有较好的市场前景和社会价值。

一、超材料的基础和分类

超材料是一种材料，具有优异的物理、化学和机械特性。超材料的基础是超单元，即远小于波长的微观单元，超单元的精细结构赋予超材料更加复杂的物理特性。根据超单元的大小、形状和数量等特征，可将超材料分为多个类别。其中最为常见的是电磁超材料、声学超材料、光学超材料和热学超材料等。

电磁超材料是一种利用微观结构优化电磁响应的材料。电磁超材料可分为具有反射式的负折射材料和具有透明性的正折射材料两类。这些材料的折射率、电导率、磁导率等参数往往大于自然常数，因此能够有效地引导和控制电磁波，提高电磁信号的传输速度和质量。

声学超材料是一种用来调节和控制声波传输的材料。声学超材料通常由有孔质材料、该离子材料、均匀材料以及结构化材料等组成。声学超材料的声波传输特性受其结构特征、材料组成和声波频率等因素的影响。利用声学超材料，人们可以制造出具有吸声、隔音、聚焦和反射等多种功能的材料。

光学超材料是一种用来调节和控制光波传输的材料。光学超材料的光学特性是由其化学成分、微观结构和制备方法等多个因素决定的。光学超材料可以改变光波的传播方式和传输速度，为光学设备和器件提供更好的性能。

热学超材料是一种利用优异的物理特性调节和控制热能传输的材料。热学超材料的特性与其微观结构、尺寸和化学组成等密切相关。利用热学超材料，可以制造出具有优异热障、热传导和隔热性能的材料，可以用于节能、环保和航天等行业。

材料和结构的声学特性

（3）空气层厚度D：应小于噪声中最高声压级频率相对应的波长的1/4，一般不超过 20厘米；厚度超过20厘米，共振频率公式需要加以修正。
（4）板厚t：增加板厚，相当于增加阻尼，有利于降低共振频率。
• 2、薄层多孔材料的共振吸声
对于垂直入射的平面波，距离刚性壁面为半波长的整倍数处声压极大，距离刚性壁面为1/4波长的奇数倍处振速极大。将薄层多孔性吸声材料，如布幕之类，放置于距离刚性壁面为1/4波长的奇数倍处，则可产生最大的阻尼损耗而获得高吸声系数。如果幕布带有较多的褶皱，则可增加共振吸声的频率宽度。
参见《建声》P67图6-10
• 阻尼层可设置在穿孔板之后，也可以设置在穿孔板之前。前置阻尼层还可增加多孔性材料的吸声作用，形成组合吸声结构。参见P138图5.10
f0

c0
2
P D(t 0.8d)
穿孔板共振吸声结构的设计：
（1）穿孔率P：1~10%，最高不超过20%；
（2）穿孔孔径d：一般控制在2~10毫米；
参见《建声》P70图6-14
• 5、微穿孔板共振吸声结构
为了增加吸声带宽还可以采取微穿孔结构。所谓微穿孔结构是指穿孔孔径小于1毫米的薄板穿孔结构。一般板材多为金属板，厚度在0.2~1mm；孔径为 0.2~1mm；穿孔率在1~4%。而且由于微穿孔结构的阻尼比较大，不需要附加阻尼层就可获得较宽的吸声频率。因此，微穿孔板吸声结构常用于高温、高湿、超净和高速气流的环境下的吸声处理。

声学术语表

技术数据编号：20060729

主题声学术语表

标准声级/Criterion Level

标准声级是最大允许曝露的累计噪声。它订出了结果为100%剂量的条件。标准音量一般由相关机构比如OSHA订出，但它一般不用于社区噪音监控。

举例：OSHA要求标准声级（最大允许累计噪声的曝露）90分贝针对8小时的情况下。对于一个8小时的例子，平均声级（L A VG）为90分贝时，其结果为100%剂量。

在OSHA听力保护修正案中，8小时的“行动声级”为85分贝。此结果为50%的剂量。请注意，标准声级并没有改变。（如果标准声级改为85分贝，则8小时平均85分贝会导致100%的剂量）。

The Criterion Level is the maximum allowable exposure to accumulated noise. It gives the conditions that result in a 100% doses. The Criterion Level is typically set by a regulating agency, such as OSHA, and is not usually applicable for community noise monitoring.

Examples: OSHA mandates the Criterion Level (maximum allowable accumulated noise exposure) to be 90 dB for 8 hours. For an 8 hour sample, an average level (L AVG) of 90 dB will result in 100% dose. For the OSHA HEARING CONSERVATION AMENDMENT, the “action level” is 85 dB for 8 hours. This would result in a 50% dose reading. Note that the Criterion Level has not changed. (If the Criterion Level is changed to 85 dB then an 8 hour average of 85 dB would result in 100% dose.)

声学超材料次波长吸声结构的优化设计

Optimized design of acoustic metamaterial sub-wavelength sound

absorptive structure

陈兴"闰茂松“范強“王伟"马刚'

CHEN Xing'2YAN Maosong12FAN Qiang'2WANG Wei12MA Gang'

1•数字化家电国家重点实验室山东青岛266101；2.青岛海尔智能技术研发有限公司山东青岛266101；

3.青岛海尔股份有限公司山东青岛266101

1.National key laboratory of digital household Qingdao266101;

2.Qingdao Haier Intelligent Technology Research and Development Co.,Ltd.Qingdao266101;

3.Qingdao Haier Co.,Ltd.Qingdao266101

摘要

针对吸油烟丽降噪，本文设计了2款声学超材料次波长吸声模块，其中一款的基础吸声

单元设计主要依据为四分之一波长共振管理论，另一款的基础吸声单元设计主要依据为

Helmholtz共振腔理论。两者吸声模块的吸声系数频谱特征，皆系根据产品的噪声辐射频

谱特性进行选择性的优化，以强化产品的降噪效果或是提高产品声品质。设计的最低频率

波长超过吸声模块厚度的20倍以上。

关键词

舌学超材料；优化设计;呢青畐覇;选择性频宽带；次波长结构

Abstract

Two sub-wavelength sound absorptive structures were designed for the range hood.One

声波超材料种类和功能性描述

声波超材料（acoustic metamaterials）是一种能够控制和调

节声波传播的特殊材料。它们通过特殊的结构和组成，在声波的传播中具有独特的功能和性能。声波超材料的种类繁多，涵盖了各种不同的结构和材料组合。下面将介绍几种常见的声波超材料以及它们的功能性描述。

1. 负折射材料（Negative Refractive Materials）

负折射材料是一种声波超材料，具有反常的折射特性。通

常情况下，声波在传播过程中会遵循折射定律，即入射角和折射角之间的关系。然而，负折射材料可以使声波在传播过程中发生反向折射，即入射角和折射角方向相反。这种特性使得负折射材料在声波成像和聚焦等领域有着广泛的应用。

2. 声波隐身材料（Acoustic Cloaking Materials）

声波隐身材料是一种声波超材料，具有抑制声波传播的能力。它们通过特殊的结构和材料组合，能够将声波传播过程中的能量捕获和散射，从而减弱或完全消除声波的传播。声波隐身材料可以在航空、军事和声波隔离等领域发挥重要的作用，保护敏感设备免受声波干扰。

3. 声波压缩材料（Acoustic Metamaterial for Sound Amplification）

声波压缩材料是一种声波超材料，具有放大声音的能力。

它们通过特殊的结构和材料组合，能够控制和调节声波的传播，使得声音在传播过程中被放大。声波压缩材料可以在扩音设备、音箱和声学传感器等领域发挥重要的作用，提高声音的清晰度和音质。

4. 声波滤波材料（Acoustic Metamaterial for Sound Filtering）

声学超构材料

声学超构材料是一种具有特殊声学性能的材料，它可以在声学领域中发挥重要

作用。声学超构材料是通过在微观结构上精心设计和排列来实现的，它可以在控制声波传播和吸收方面具有显著的效果。声学超构材料的研究和应用已经引起了广泛的关注，它在声学隔音、声学透镜、声学吸收等方面都具有重要的应用前景。

声学超构材料的设计和制备是一个复杂的过程，它涉及到材料科学、声学理论、微结构设计等多个学科领域的知识。声学超构材料的基本原理是利用材料的微观结构来控制声波的传播和吸收。通过精心设计材料的结构和组分，可以实现声波的控制和调控，从而达到所需的声学性能。

声学超构材料可以在很多领域发挥重要作用。在建筑领域，它可以用于隔音材

料的制备，提高建筑物的隔音性能；在汽车领域，它可以用于制备车辆的隔音材料，提高车辆的乘坐舒适性；在航空航天领域，它可以用于制备飞机和航天器的隔音材料，提高飞行器的噪音控制性能。

声学超构材料的研究和应用还面临着一些挑战。首先，声学超构材料的设计和

制备需要精密的工艺和设备，成本较高；其次，声学超构材料的性能受到材料本身性能的限制，需要进一步提高材料的性能和稳定性；最后，声学超构材料的大规模应用还需要克服一些技术和市场上的障碍，需要进一步完善相关的标准和规范。

总的来说，声学超构材料是一种具有重要应用前景的材料，它在声学领域中具

有广泛的应用价值。随着材料科学和声学理论的不断发展，声学超构材料的研究和应用将会得到进一步推动，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。希望通过对声学超构材料的深入研究和应用，可以为人类创造更加安静、舒适的生活和工作环境，为可持续发展和环境保护做出更大的贡献。

声子晶体和声学超构材料_倪旭

超构材料的研究和应用专题
Leabharlann Baidu
声子晶体和声学超构材料＊
倪旭张小柳卢明辉陈延峰
（）南京大学固体微结构物理国家重点实验室南京大学现代工程与应用科学学院材料科学与工程系南京２１００９３
摘要声子晶体和声学超构材料进一步拓展了自然界中声学材料的弹性波性质．这种人工的复合结构材料，由使得其具有奇异的色散特征，在某些频段具有负的有效弹性参数，带来于其周期结构的布拉格散射和局域共振特性，了许多新颖的声学传播效应，例如声子带隙效应、负折射效应、超棱镜效应、超透镜效应、异常透射效应、异常隔声效应等．与此同时，在声子晶体和声学超构材料表面，一类具有亚波长特性的声表面倏逝波也引起了人们的关注，研究传播、耦合的过程对揭示声子晶体和声学超构材料的奇异声传播效应的物理本质具有重要意义．声子晶体和其激发、声学超构材料作为一类新型的人工声学结构材料，在隔声、防振、热控制以及新型声学器件研发等方面具有巨大的应用前景．文章综述了近十几年来国际国内关于声子晶体和声学超构材料的研究进展，并对其未来的研究发展方向做一评述．关键词声学，声子晶体，声学超构材料，声表面倏逝波

一种基于声学超材料技术的通风隔声结构[实用新型专利]

专利名称：一种基于声学超材料技术的通风隔声结构专利类型：实用新型专利

发明人：张若军,王桂波,张思维,江旻,王添

申请号：CN201821756019.9

申请日：20181026

公开号：CN209607407U

公开日：

20191108

专利内容由知识产权出版社提供

摘要：本公开提出了一种通风隔声结构，包括：一个元胞或者周期性排列的多个元胞(1)；其中，所述元胞包括：第一面板(10)，其中心设有第一开口(101)；第二面板(20)，与所述第一面板相对设置，其中心设有第二开口，与所述第一开口的位置相对；及芯层(30)，位于所述第一面板和第二面板之间，其具有多个声腔流道(301)，所述多个声腔流道与所述第一开口和第二开口连通。本公开通风隔声结构，能够在宽频范围内抑制空气流噪声，具有重量轻、耐高温、防火、耐蒸汽侵蚀和冲击腐蚀的特性。

申请人：中国船舶重工集团公司第七一四研究所

地址：100192 北京市朝阳区科荟路55号院1号楼

国籍：CN

代理机构：中科专利商标代理有限责任公司

代理人：李佳

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声学黑洞轻质超结构的低频宽带高效隔声机理及实验研究

声学黑洞轻质超结构的低频宽带

高效隔声机理及实验研究摘要

声学隔声是指将声波能量有效地隔离开来，是众多

领域中的一个重要研究课题。近年来，声学黑洞轻质超结构被认为是一种具有潜力的新型材料，可以在低频宽带范围内实现高效隔声。本文通过理论分析和实验研究，探讨了声学黑洞轻质超结构的隔声机理以及其在实际应用中的潜力和局限性。

1. 引言

声学隔声用于噪声控制、舒适性改善和隐形声源等

领域中起到了至关重要的作用。传统的隔声材料主要基于吸声和反射原理，但其效果在低频范围内较差。声学黑洞轻质超结构是一种基于声学黑洞原理设计的新型材料，具有较高的弯曲刚度和较低的质量密度，从而可以实现低频宽带的高效隔声。

2. 声学黑洞轻质超结构的隔声机理

声学黑洞可以理解为一种能够完全吸收声波能量的

结构，其核心原理是抑制声波的反射和透射。声学黑洞轻质超结构通过引入空气腔和确定的孔隙结构，在声波通过时产生阻抗失配，从而实现声波能量的耗散和衰减。此外，声学黑洞轻质超结构还可以利用其特殊形状和材料参数设计成具有带隙结构，从而进一步增加隔声效果。

3. 实验研究

为了验证声学黑洞轻质超结构的隔声效果，我们设

计了一系列实验。首先，我们制备了声学黑洞轻质超结构样品，并利用扫描电子显微镜等仪器对其形貌和结构进行表征。然后，我们利用声学实验室中的声场衰减测试系统对样品进行测试。实验结果表明，声学黑洞轻质超结构在低频范围内具有较高的隔声效果，能够显著降低声波的传播和传输。

4. 潜力和局限性

声学黑洞轻质超结构作为一种新型材料，具有较高

的隔声效果和广泛的应用潜力。在噪声控制和舒适性改善方面，其可以被用于建筑物、交通工具和工业装置等场合。然而，声学黑洞轻质超结构在实际应用中还存在一些局限性，例如成本较高、制备工艺复杂等问题，需要进一步的研究和改进。

声学超材料

1超材料

1.1概述

超构材料与超构表面的名词解释

超构材料与超构表面

一、超构材料的定义和基本概念

超构材料（metamaterial）是一种具有特殊结构和性质的人工合成材料，其具有常规材料所不具备的特殊功能和性能。超构材料通过设计和控制其微观结构，能够实现对电磁波、声波、光波等物理波的传播和相互作用进行精确调控。

超构材料的设计和制备依赖于人工合成的微观结构，这些结构通常由周期性排列的单元组成。这些单元可以是金属、陶瓷、聚合物等不同种类的物质，通过精确控制单元之间的尺寸、形状、排列方式等参数，可以实现对电磁波或其他物理波进行特定调控。

二、超构材料的特点与应用领域

1.负折射：超构材料可以实现负折射现象，即光线在进入超构材料后会被偏

折到与入射方向相反的方向。这一特性可以用于制造透镜、聚焦器等光学器

件，在光学通信、成像等领域具有广泛应用。

2.超透镜：超构材料可以实现超透镜效应，即将细微的细节放大到可见范围。

这一特性在纳米电子学、生物医学等领域具有重要应用价值。

3.负折射率：超构材料可以实现负折射率，即在特定频率范围内，电磁波在

超构材料中传播的速度比真空中的速度还要快。这一特性对于微波通信、雷

达技术等有重要应用。

4.隐身技术：超构材料可以通过调控电磁波的传播和散射行为，实现对物体

的隐身效果。这一特性在军事领域具有重要意义。

5.声学调控：超构材料在声学领域也有广泛应用。通过设计和制备特殊结构

的超构材料，可以实现对声波的传播和散射进行精确调控，从而改善声学设

备的性能。

三、超构表面的定义和基本概念

超构表面（metasurface）是一种具有人工合成结构的二维表面，其微观结构的周