水下复合超材料的吸声性能与机理研究
这是一篇基于文献《Experimental investigation of composite metamaterial for underwater sound absorption》（水下吸声复合超材料的实验研究）的深度学术解读。本文旨在帮助科研人员全面剖析该研究的理论背景、材料制备、声学机理、核心数据比较以及工程应用前景。
结合阻抗管测试与消声水池实验结果，可以清晰看到该类水下吸声材料在低频与中高频段均表现出优异的能量耗散能力，为工程应用提供了可靠的数据支撑。苏州东原电子有限公司 长期专注于声学测试与分析技术研发，可提供 声学材料测试系统、声学阻抗管定制、水声测试解决方案 以及消声室与静音箱等专业设备支持，助力科研机构与工业客户在水声材料与降噪工程领域实现高精度测试与应用落地。
1、研究背景与科学动机
声学涂层和水下吸声材料的研发是隐身潜艇和水下航行器的一项关键核心技术。评估一种卓越的水下吸声材料通常需要满足两大前提条件：良好的水声阻抗匹配以及基体材料具备高损耗特性。然而，在实际复杂的深水环境中，开发兼具宽频带和高效率的水下吸声材料面临着巨大挑战。
传统的水下吸声材料设计通常是在黏弹性阻尼材料中引入喇叭形空腔，以最大化吸收进入材料内部的声能。然而，这类设计存在一个经常被工程界忽视的致命弱点：内部空腔在深海高静水压力环境下极易发生压缩和变形，从而导致吸声性能大幅衰减。
为了克服“水下阻抗匹配”与“耐高水压”这两大关键难题，近年来研究人员提出了多种水下超材料结构，如局域共振、五模超材料、声学黑洞等，但它们往往局限于特定频段的工作范围。针对这一瓶颈，本研究创新性地提出了一种由聚脲（Polyurea）基体与多孔泡沫铝（Aluminum foam）散射体结合的复合超材料。聚脲具有可调的黏弹性阻尼特性和优异的水下防爆性能，是极具潜力的水下吸声基体；但单纯的聚脲无法在内部形成多次反射，导致无法充分利用剪切损耗来最大限度吸收声能。另一方面，泡沫铝不仅耐水压强度高，还能在中高频段实现良好吸声，但若直接作为涂层使用，其高表面粗糙度会引发流体动力学噪声。该研究巧妙地将两者结合，利用聚脲包裹不同形状的泡沫铝散射体，不仅解决了水压变形和流噪声问题，更通过内部声传播路径的改变实现了宽频带水下吸声。
2、材料制备与实验设计
为了系统评估该复合超材料的声学性能，研究团队开展了严谨的材料制备和多维度的声学测试。
2.1 实验材料与构型设计
研究选用的基体材料为双组分聚脲弹性体，它兼具黏性液体和弹性固体的物理特征，分子结构中同时包含氨基甲酸酯键和脲键，能够在宽范围内调节弹性和损耗因子。其中，A 组分是由二异氰酸酯和聚醚多元醇反应形成的半预聚物；B 组分则是端氨基扩链剂、聚醚多元醇和有机杂化小分子阻尼改性剂的混合物。物理性能测试表明，该聚脲材料的密度为 1200 kg/m³，杨氏模量为 5×108Pa，泊松比为 0.41，在 100 Hz 至 6000 Hz 范围内的平均损耗因子为 0.45。
内部散射体采用熔融浸渗法制备的多孔泡沫铝。准静态压缩测试显示，该泡沫铝具有明显的线弹性变形、塑性变形和致密化三个阶段，平均屈服应力为 16.15 MPa，致密化应变高达 61.8%。工业 CT 扫描三维重建结果显示，其孔隙率（ ϕ）达到了 0.85。
研究人员设计了四种带有背面钢板（提供全反射边界条件）的测试样品（直径 204 mm，基体厚度 60 mm）：
- Sample #1：内置 4 个小圆锥形泡沫铝散射体。
- Sample #2：内置 1 个大圆锥形泡沫铝散射体。
- Sample #3：内置 1 个大圆柱形泡沫铝散射体。
- Sample #4：纯聚脲对照组，无内部散射体。
2.2 声学测试方法与环境
声学评估分别在两种经典环境中进行：
- 水阻抗管（驻波场模拟）：基于双水听器传递函数法，用于测量样品在不同频率（测试上限截止频率约为 4228 Hz）和不同静水压力（0~5 MPa）下的反射与吸声系数。
- 消声水池（自由场模拟）：为了克服阻抗管测试频率的局限性并验证工程应用价值，研究团队制作了尺寸为 1840mm×1100mm 的大型阵列样板（包含 25 个单元，每个单元混合了大小圆锥散射体），并将其悬挂于 20m×8m×6.8m 的大型消声水池中，测试 2000 Hz 以上的高频声学表现。
3、核心声学数据与结果分析
研究获取的丰富实验数据，深刻揭示了该复合超材料在常压及高静水压环境下的真实表现。
3.1 宽频与低频声学响应（常压状态）
水阻抗管测试结果表明，纯聚脲样品（Sample #4）在 2500-4000 Hz 的高频区间表现尚可，但在 2500 Hz 以下的低中频段吸声能力极差。这符合声学常理：在黏弹性阻尼材料中，波阵面不发生扩展，能量随距离呈指数衰减，因此需要极大的厚度才能有效吸收低频长波。一旦限制材料厚度，就无法兼顾高损耗因子和高吸声系数。
然而，复合了泡沫铝散射体的样品（#1、#2、#3）在中低频段实现了声学性能的跃升。特别是在 1000 Hz 以下，其吸声系数竟然突破了 0.7。在 200 Hz 至 4000 Hz 宽频带内，大圆锥样品（#2）和大圆柱样品（#3）的吸声系数均稳定在 0.5 以上。值得关注的是，在水下 500 Hz、1000 Hz 和 2000 Hz 频率处，声波的波长分别为 3 m、1.5 m 和 0.75 m，而材料总厚度仅为 60 mm。这意味着该材料分别在其厚度为波长的 1/50、1/25 和 1/12.5 处实现了高效吸声，成功达成了亚波长级别（Sub-wavelength level）的水下声吸收。此外，数据标准差分析表明，大圆锥构型（Sample #2）的标准差仅为 0.155，体现了最为稳定的声学吸收特性。
3.2 耐水压吸声性能（0~5 MPa 变压测试）
为了验证其工程实用性，研究对样品施加了高达 5 MPa 的模拟水压。结果显示，纯聚脲样品（#4）的吸声系数随水压升高发生断崖式下降（ 0 至 4000 Hz 平均吸声系数从 0.41 跌至 0.19 ）。
相比之下，复合超材料展现出了优异的声学鲁棒性：压力提升至 5 MPa 时，Sample #1、#2、#3 的平均吸声系数仅出现轻微下滑（例如 Sample #2 仅从 0.56 降至 0.43）。研究指出，水压导致的吸声性能下降主要由于：其一，静水压会改变聚脲的杨氏模量并影响损耗因子；其二，高压迫使聚脲渗透进入泡沫铝的孔隙内部，一定程度上破坏了波形转换效率。然而，由于固体散射体骨架依然存在，材料内部的反射回波仍能大量消耗声能，远胜于仅依赖材料本征损耗的纯聚脲结构。
3.3 大尺度消声水池验证
消声水池中的大尺度测试确认了复合超材料在高频域的优势：在 2 kHz 至 20 kHz 的广阔频段内，包含复合散射体的超大面板的吸声系数全面超越了同体积的纯聚脲板，并在 2 kHz 这一工程关键频点吸声系数超过 0.5。这一实测数据完美印证了微观单元设计的宏观扩展有效性。
4、物理机理与有限元（FEM）分析
为了深刻揭示泡沫铝散射体引发宽频高吸收背后的物理真相，研究团队使用 COMSOL Multiphysics 软件构建了有限元声学仿真模型。其中，多孔泡沫铝的声学特性利用经典的 Johnson-Champoux-Allard (JCA) 模型 进行参数化模拟（包含流阻率、孔隙率、曲折因子及热/黏性特征长度等关键参数）。
核心机理在于波形转换（Waveform conversion）效应：
当水下的入射声波穿透材料并在背面钢板处发生全反射时，如果材料是纯聚脲（#4），反射波沿原路径直线返回，能量耗散有限。但对于复合超材料，当内部二次反射回波遇到几何散射体（如泡沫铝圆锥）时，纵波（Longitudinal wave）会在材料内部发生波形转换，被强制转换为剪切波（Shear wave）。鉴于聚脲材料具有高达 0.45 的内禀损耗因子，这种高损耗特性极易通过剪切摩擦将局域化的机械能转化为热能消耗殆尽。散射体的几何形状直接决定了反射回波的传播路径迂回度以及波形转换的彻底程度。
有限元位移形变后处理云图（Displacement deformation）为这一推断提供了直观证据。在 500 Hz 低频点，含有大尺寸散射体的样品（#2 和 #3）内部表现出远大于纯聚脲和较小散射体（#1）的位移形变；而在 2500 Hz 时，纯聚脲样品的形变程度最小，这也与阻抗管测得的低吸声系数完全吻合。位移形变能直接反映了泡沫铝与基体材料之间的结构耦合强度以及波形转换的烈度——形变越显著，意味着有更多的声纵波被转换为剪切波，从而更为彻底地激活了基体的高损耗机制。
5、研究亮点
- 攻克传统声学空腔的高压塌陷难题：利用高屈服强度的多孔泡沫铝作为物理散射体替代传统的气泡空腔，在维持高吸声的前提下，赋予了材料在 5 MPa 极限静水压下的结构稳定性与声学鲁棒性。
- 揭示“波形转换”主导的水声衰减新机制：通过严谨的仿真与实验，证明了通过在黏弹基体中引入特定几何形状（圆锥/圆柱）的波阻抗失配体，能够高效诱发纵波向剪切波的转变，从而将材料内在的损耗潜力发挥到极致。
- 实现极限亚波长级低频吸声：突破了无源吸声材料受制于四分之一波长厚度法则的物理限制，仅用 60 mm 的厚度即在波长为 3 米的 500 Hz 低频段实现了显著的声能吸收。
- 具备高度工程化可行性：通过双组分聚脲浇注封装工艺结合内部轻质泡沫铝，材料整体不仅重量轻于纯聚脲，且消声水池大样本实验证实了其具有极佳的规模化生产与声学拼装潜力。
6、主要结论
本研究成功开发并验证了一种具有优异宽频带吸声性能的新型水下复合超材料。实验结论明确指出：在纯聚脲基体中嵌入不同尺寸的圆锥形泡沫铝散射体，能够显著改变反射回波的传播路径并极大提升波形转换效率，从而在全频段内（尤其是传统材料难以克服的中低频段）大幅提升声吸收系数。此外，该复合结构在面对深水高压（0~5 MPa）时展现出了优于纯高分子聚合物的保能属性。该材料的设计思路、有限元机理阐释以及全尺度水池实测数据，为未来潜艇与水下航行器的水声隐身涂层研发提供了强有力的理论指导和应用模板。
N. Gao, H. Yu, J. Liu, J. Deng, Q. Huang, D. Chen, and G. Pan, “Experimental investigation of composite metamaterial for underwater sound absorption,” Applied Acoustics, vol. 211, p. 109466, 2023.
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