水下声学设备用水下声学超材料的研究进展与未来展望
水下声学超材料通过亚波长结构设计（如局域共振单元、梯度阻抗匹配层及耐压空腔结构），有效突破了传统材料在水下低频隔声与高静水压适应性方面的瓶颈，为水下声学设备的自噪声抑制与声隐身能力提升提供了全新的技术路径。从水声领域的技术突破反观空气声学工程，超材料的设计思想——即通过人工微结构实现等效物性参数的精确调控——同样为工业噪声治理开辟了创新方向。
苏州东原电子有限公司长期专注于 👉工业隔音降噪工程解决方案👈，致力于设备与厂房噪声治理。我们积极借鉴水下声学超材料的前沿设计理念，将其中的局域共振、梯度阻抗匹配及耐压多孔结构等思路迁移应用于空气声场景，为客户提供：
- 低频隔声超结构定制：针对工业设备低频轰鸣声（50-200 Hz），设计轻量化隔声超材料面板；
- 耐候性声学包解决方案：适用于高湿、高尘、腐蚀性气体等严苛工况的隔吸声组件；
- 声场模拟与结构优化：基于等效介质模型与有限元仿真，实现从材料微观结构到宏观声学响应的精准预测。
从材料选择、结构设计、声场模拟到施工建议，我们提供一站式声学环境优化服务，可满足消声室、影音房、吸声板设计、工业厂房噪声治理及特种设备隔声罩等多样场景的隔音与吸声需求。苏州东原电子愿与科研机构及产业伙伴携手，将水下声学超材料的先进理念转化为空气声噪声控制的创新工程方案。
1、研究背景与科学动机
随着人类对海洋资源开发和海洋环境保护的不断深入，水下声学设备（ Underwater Acoustic Equipment, UAE ）在海洋勘探、海底信息采集以及水下军事装备中发挥着不可替代的作用。然而，水下声学设备在复杂的海洋环境中面临着严峻的声学挑战：一方面，设备运行时的机械振动和流体激振会产生近场自噪声（ Self-noise ），严重降低声学探测和通信的信噪比；另一方面，在对抗多基地主动或被动声呐探测时，水下潜航器的“声隐身（ Acoustic stealth ）”能力成为了生存的关键。
传统的声学材料（如橡胶聚合物、多孔材料等）受制于“质量-密度定律（ Mass density law ）”，在面对低频声波时往往需要极其庞大的体积和重量。更为致命的是，水下环境与空气环境存在巨大的介质阻抗差异，且伴随着极高的深海静水压力（ High hydrostatic pressure ）。传统材料在承受高水压时，其内部孔隙容易被压缩，导致低频吸声效果和弹性声能转换效率大幅恶化。相比于空气声，同频率的水下声波极难被控制，这使得水下声学材料的设计异常复杂。
为了突破自然材料的物理极限，声学超材料（ Acoustic Metamaterials ）的概念应运而生。从 20 世纪 90 年代基于布拉格散射机制（ Bragg scattering ）的声子晶体，到 2000 年基于局域共振（ Local resonance ）机制的声子晶体，再到具有“双负特性（负等效质量密度和负等效体积模量）”的声学超材料，这一领域经历了深刻的理论演进。水下声学超材料以人工设计的微观结构为基本单元，能够人为定制具有带隙（ Band gap ）的频率范围，从而抑制特定频段的声波传播。
这篇发表于《 Frontiers in Physics 》的综述文章，系统性地将水下声学超材料按功能划分为三大核心类别：水下吸声超材料（ SAM ）、水下隔声解耦超材料（ SIDM ）以及水下声引导超材料（ UAGM ）。文章深刻剖析了它们的基础特性、发展历程以及在深海静水压力下的应用瓶颈，为该领域的未来研究指明了方向。
2、水下吸声超材料（ SAM ）：打破阻抗匹配与高损耗的内在矛盾
传统水下吸声材料（ TSAM，如橡胶聚合物）的设计依赖于两大原则：与水介质的阻抗匹配（ Impedance matching ）以及内部的阻尼耗散（ Damping dissipation ）。然而，在传统均质材料中，表面反射系数与其损耗因子成正比，这意味着“良好的阻抗匹配”与“高声能损耗”在物理上存在不可调和的固有矛盾。为了应对这一矛盾及高静水压下的低频吸声难题，研究者开发了基于特殊声学结构的吸声超材料，主要分为两大类：
2.1 局域共振型超材料（ LRM ）
LRM 的核心在于利用局部结构的强烈共振来消耗低频声能。赵宏刚等人（ 2006 年）首次将局域共振理论引入水下吸声设计，通过在黏弹性聚合物中嵌入由软橡胶层包裹的金属钢球阵列（作为局部谐振器），成功验证了材料在局域共振频率处的卓越水下低频吸声效果。
尽管 LRM 在低频吸声方面表现优异，但其固有的劣势是有效吸声频带极窄。为了拓宽带隙，研究人员引入了多重散射与耦合设计。例如，通过有限元分析将具有不同局域共振频率的结构进行多层叠加；或者在单一基础单元中设计多达 12 个谐振单元（ Gu 等人），在多重散射作用下，该超材料在 0.5 MPa 的高静水压以及 600–2000 Hz 的宽频范围内实现了优异的低频水下吸声。Zhong 等人进一步开发了颗粒填充聚氨酯与螺旋谐振器构成的超材料板，在 0.5 MPa 水压下，1.5 kHz 至 6 kHz 频段内的平均吸声系数达到了 0.51。
2.2 非共振型超材料（ NRM ）
NRM 主要包括多孔泡沫超材料、梯度折射率超材料等。针对低频阻抗失配问题，Xu 等人设计了一种开孔碳化硅（SiC）泡沫，通过在孔隙中填充硅油，使其在 750–4000 Hz 范围内的吸声系数接近于 1。此外，Wang 等人基于声学黑洞（Acoustic Black Hole, ABH）效应设计了梯度指数超材料，实现了水下宽频全向吸声；Yuan 等人及Gao 等人则分别利用石墨烯微片改性橡胶和内置螺旋金属环的黏弹性结构，在低于 1000 Hz（甚至 2-30 Hz）的极低频段实现了宽频声衰减。
3、水下隔声解耦超材料（ SIDM ）：轻量化与耐压性的极限博弈
水下隔声解耦超材料（ SIDM ）的主要功能是阻断内部设备（如发动机、泵）引起的流激振动或机械振动以声波形式向外部水体辐射，从而降低近场自噪声，提升声学隐身性能。
SIDM 在工程应用中面临着两难困境：第一，如果仅使用软橡胶覆盖设备表面，不仅会导致声阻抗严重失配，还会使得设备极为沉重；第二，目前最有效的隔声解耦通常依赖于材料内部的空腔结构，而空腔体积与阻抗失配效应成正比，却与材料的抗压强度成反比。因此，如何在保证深水耐压性的前提下提升低频解耦性能，是当前的科研焦点。
针对低频隔振能力弱的问题，学术界引入了多种先进拓扑结构：
- 局域共振引入隔声解耦：Huang 等人首次将单自由度周期性局域谐振器引入 SIDM，基于等效媒质理论证明了超材料解耦层的等效密度对系统机械阻抗的巨大影响，显著增强了局域共振频率附近的低频降噪效果。
- 高耐压蜂窝结构（ Honeycomb-type AM ）：Zhong 等人提出了一种新型水下蜂窝型复合声学超材料板，实验证实该结构在高达 3 MPa（相当于约 300 米水深）的静水压下，在 2 kHz 至 10 kHz 频段内仍能保持 10 dB 的平均声传输损失，完美兼顾了宽频隔声与高耐压性。
- 手性结构（ Chiral structures ）与负泊松比（ NPR ）超材料：手性结构具有高剪切刚度和负等效质量密度。研究表明，在手性结构中加入金属核心或填充聚苯乙烯泡沫，能极大增强梁板的隔振与隔声效果。更引人瞩目的是负泊松比超材料，这类材料在受轴向拉伸时会发生横向膨胀（泊松比为负值）。Zhang 等人利用该特性设计的蜂窝隔振器，在 50 Hz 以下的超低频段展现出了卓越的振动隔离效果。
4、水下声引导超材料（ UAGM ）：变换声学与水下“隐身斗篷”
随着多基地声呐探测技术的发展，仅靠吸收和反射往往会留下明显的“声影区（ Sound shadow area ）”，难以实现真正的全方位隐身。水下声引导超材料（ UAGM ）旨在利用变换声学（ Transformation acoustics ）原理，精准操控声波的传播轨迹，引导声波“绕过”目标物体而不发生任何散射，从而达到完美的隐身效果（即“声学隐身斗篷”）。
早期基于变换声学的隐身斗篷面临巨大的物理实现难题，因为它们通常需要极其复杂的各向异性（ Anisotropic ）和非均质流体介质。五模超材料（ Pentamode Metamaterials ）的出现为这一难题提供了突破口。五模材料是一种人工固体微结构介质，其最显著的物理特性是剪切模量远远小于体积压缩模量（表现出类似于流体的声学特性，却保持了固体的承载能力）。
利用五模超材料，学者们成功制备了全固体、宽频带的水下声学透镜和隐身斗篷。例如，Sun 等人通过逆拉普拉斯方程获取阻抗匹配参数并设计的五模超材料斗篷，展现出良好的宽频隐身效果；Zhao 等人则利用单一金属材料制备了二维五模超材料样本并进行了实验验证，确立了五模超材料作为实现水下声引导调控主流方案的地位。
5、研究亮点与未来挑战总结
本综述的研究亮点在于：它不仅梳理了声学超材料从空气声向水下声过渡的物理本质跨越，还重点抓住了水下应用中最为核心的“高静水压耦合环境”这一工程痛点，系统性地总结了多重散射拓扑、负泊松比力学结构以及五模流体态固体等前沿手段在克服水压-声学矛盾上的最新进展。
同时，文章客观指出了当前水下声学超材料面临的三大严峻挑战：
- 水下吸声超材料（ SAM ）*的局域共振机制固有的吸声频带狭窄问题，虽然取得了一定进展，但如何更高效地利用谐振耦合单元产生的多重散射效应以进一步拓宽吸声频段，仍是未来的核心难题。
- 水下隔声解耦超材料（ SIDM ）*在面临深海高水压时通常必须被设计得更加厚重，如何在保证结构高抗压强度的同时实现极度轻量化，是工程应用的一大阻碍。
- 水下声引导超材料（ UAGM ）*目前的工作频段通常被设定为固定值，只能针对特定频率的入射波产生衍射调控。如何使其能够随着入射声呐波频率的变化，灵活、自适应（ Adaptive ）地调整工作频段，实现声波的主动引导，是走向实战化的终极技术瓶颈。
6、主要结论与未来展望
综上所述，与传统水下声学材料相比，水下声学超材料在突破质量定律、实现亚波长低频操控以及多功能定制方面具有无可比拟的理论优势。基于人工微结构的局域共振材料、蜂窝与手性力学材料以及五模超材料，已在实验室层面展示了克服海洋极端环境干扰的巨大潜能。
未来，水下声学超材料的演进路线将坚定不移地朝着宽频带（ Broadband ）、超低频（ Low frequency ）以及极高耐静水压（ Pressure resistance ）三大维度纵深发展。随着加工制造技术（如 3D/4D 打印纳米制造技术）的成熟，这些超材料有望从理论探索全面步入工程验证，进而大幅提升水下航行器的声学隐身性能与深海探测装备的信噪比边界。
Z. Zhu, N. Hu, J. Wu, W. Li, J. Zhao, M. Wang, F. Zeng, H. Dai, and Y. Zheng, “A review of underwater acoustic metamaterials for underwater acoustic equipment,” Frontiers in Physics, vol. 10, p. 1068833, Dec. 2022.
