隔声超构材料的研究进展

陈应航,陈 键,徐 驰,钟雨豪,黄唯纯,卢明辉

(1.蚌埠学院机械与车辆工程学院，蚌埠 233030；2.南京大学,固体微结构物理国家重点实验室,现代工程与应用科学学院，南京 210093)

0 引 言

隔声功能是声学材料的重要研究方向之一，与军事、国防、航空航天、民生等领域密切相关[1-3]。在线性噪声问题中，依据能量守恒定律，即针对一个特定频率，声学材料吸收的能量加上其反射和透射的能量等于系统的总能量。若想实现隔声功能，可以通过增大声学材料的吸收或反射来实现。声学超构材料的研究为解决低频隔声问题提供了新的思路，通过在关键物理尺度上对材料进行一定的序构设计，获得自然界材料所不具备的不同寻常的声学特性、现象的特种复合材料或结构，使其在隔声、降噪等领域具有广阔的研究和应用前景[4-5]。

传统隔声设计多基于隔声材料或共振结构[6]。前者通过提高隔声层的声阻抗或优化吸、隔声材料组合方式达到改善结构隔声性能的效果。例如汽车前围隔音垫、公路声屏障、大型设备的隔声箱多是基于此类隔声机理。这就要求隔声层具有更高的质量密度、厚度，良好的密封性以及材料覆盖效果，显然不利于实现隔声结构轻量化和轻薄化。在管道声学领域，各类共鸣器或腔体被植入传声路径上以实现对某几个固定频率范围声波的有效隔离，这类方法对应的消声频率与管、腔结构参数关系密切，在消除低频噪声时往往难以同时实现结构小型化。在传统材料、结构隔声性能与工程实用性领域难以兼顾的背景下，声学超构材料的出现与发展为解决这一问题提出了新的视角。

本文简要介绍了近些年声学超构材料在隔声领域的研究成果，并重点阐述它们的作用机理、应用背景以及发展前景。首先从隔声原理、带隙形成机理以及表征参数方面阐明了隔声超构材料与声波作用的物理机理，论述了不同形式隔声超构材料的研究进展，包括Helmholtz式、薄膜薄板式、折叠卷曲空间式以及组合式隔声超构材料方面的研究。最后展望了未来声学超构材料的研究方向。目前，隔声超构材料在航空航天、汽车制造、建筑、民生等领域得到了应用，已经展现出一定的应用价值。隔声超构材料可以通过轻质、小体积的巧妙设计，尤其在改善低频段隔声方面，展现出超常的物理特性，具有传统隔声材料无法比拟的优势。但由于其结构复杂、对制造水平要求高、成本昂贵等问题，在工程中尚未得到广泛推广。本文旨在回顾总结相关科研人员的研究成果，为后人研究提供参考。

1 声学超构材料隔声机理

1.1 隔声机理的变迁

声源发出的声波在传播途径中，遇到阻挡声波传播的匀质屏障物(如木板、墙体、金属板等)，一部分被屏障物反射回去，一部分被屏障物吸收，还有一部分声能顺利穿透屏障物辐射到其他区域。利用材料(构件、结构或系统)阻碍噪声的传播，通过屏障后声能降低或消除的方法，称为隔声。声波在不同特性阻抗的空气介质与屏障物之间传播，由于不断反射导致声能量衰减，振动能量也随空气介质的弹性与附加作用大大降低，从而达到隔声减振效果。

隔声材料隔声性能与结构、材料和声波频率有关。隔声材料透声能力的大小，用声能量透射系数τ表示，它等于噪声通过材料前后的声能量比。一般隔声材料的透射系数τ很小，描述隔声的本领通常采用它的倒数，实际中常用分贝(单位dB)来度量，用分贝表示的隔声大小的量称为隔声量TL(transmission loss)或称传声损失。

(1)

式中：TL为隔声量；τ为隔声材料的透射系数。

传统隔声材料以均质板为隔声基体，遵循质量控制定律。通过在均质板表面敷贴黏弹性阻尼材料、加筋等方式提高隔声性能，但同时也增加了隔声材料的质量和厚度，且对低频段隔声效果作用不大，因此亟待人们在新材料开发方面实现突破。

在声学材料中，等效质量密度和等效体积模量是决定声波在介质中传播的两个关键参数。在自然界介质中，通常二者均为正值。声学超构材料可展现出常规声学材料不具备的新奇物理效应，其中最典型的就是材料等效表征参数为负值[7]。精心设计声学超构材料亚波长共振单元，使其与背景入射场干涉产生强局域共振，等效质量密度和等效体积模量可表现出频率色散特性，并在共振频率附近达到负值[8]。理论研究表明，声学超构材料偶极子共振时，会产生负的等效质量密度[9-12]；单极子共振时，会产生负的等效弹性体积模量[13-14]；当偶极、单极同时共振时，会产生“双负”效应(负的等效质量密度和负的等效体积模量)[15-19]。等效参数为负，声波折射率和等效波速会变成虚数，导致声波在介质中无法前行。即当亚波长单元表现出负参数特性，该结构可以表征出一定的声衰减。借助此类材料结构负等效参数的性质使得声学超构材料领域的研究变得多样化，例如实现声负折射[20-23]、定向传输特性[24-25]、声隐身[26-28]等。

1.2 带隙的形成：布拉格机理和局域共振机理

声波(统称弹性波)与人工周期弹性复合材料相互作用，在特定频率没有对应振动模式即存在声禁带，声波传播被抑制从而实现良好隔声性能。Bragg散射机理和局域共振机理是两种比较成熟的声禁带形成机理。产生Bragg散射声禁带的为Bragg声子晶体，弹性波在周期排列的Bragg声子晶体中传播发生干涉，导致声波无法通过发生阻断形成声禁带。Bragg带隙对应的角频率与πc/a同阶，c是空气中声速，a是结构晶格周期，声禁带对应的弹性波波长为晶格常数两倍或同数量级。另一种声禁带形成机理是晶格与弹性波在共振频率处相互作用，声波局限在晶体共振单元附近而不能继续传播，产生禁带的称为局域共振型声子晶体[29]。局域共振声子晶体声禁带对应的波长远大于单元晶格常数，可在低频段形成带隙，且当晶格单元非严格周期排列时仍存在禁带。突破了质量定律和Bragg散射声子晶体诸多限制，实现“小尺寸控制大波长”，为低频隔声实际应用开创了新局面[30]。

两种机理形成的禁带均是由晶体结构周期性和单个散射体Mie散射的共同作用，Bragg声子晶体强调结构周期性，晶格周期排列方式、散射体尺寸形状及介质材料搭配均是带隙设计关键因素；局域共振机理由单个散射体自身固有振动特性主导，单个散射体共振结构与散射体在基体内分布特性是设计关键。

声学超构材料的概念起源于局域共振型声子晶体，Liu 等[9]提出的局域共振型声子晶体通常被认为是第一种声学超构材料。声子晶体侧重声波传播过程分析，而声学超构材料与构成基材相关性低，更关注结构等效参数特性，且易实现多物理场耦合。声学超构材料单元空间尺度远小于基体波长，在长波假设下认为超构材料是均匀有效介质。

2 Helmholtz共鸣器式隔声超构材料

Helmholtz共鸣器是一种最基本的声共振系统，1850年由赫尔曼·冯·亥姆霍兹设计并命名，典型的Helmholtz共鸣器由刚性壁包围的空腔和腔上一个很窄的颈部组成。颈部中流体介质近似视为质量，腔中可压缩流体介质视为弹簧，可被认为是一个弹簧-质量系统[31]。声波进入共鸣腔颈部，空腔内空气被压缩。当声波达到Helmholtz共鸣器共振频率，腔内被压缩空气抵抗传入声波(相当于弹簧质量系统中弹簧位移)，入射声压被放大，腔内声压达到峰值，实现负的等效体积模量系统动态响应。Helmholtz共鸣器共振频率表示为：

(2)

式中:fh为Helmholtz共鸣器基本共振频率；c为空气中声速；S为Helmholtz共鸣器颈部横截面积；V为Helmholtz共鸣器腔体体积；Leff为Helmholtz共鸣器颈部有效长度。

此外，还可以计算有效体积模量，即颈部中压降与空腔内体积变化之比:

(3)

式中：E0为空气体积模量；F为几何因子；ωh为Helmholtz共鸣器基本共振角频率；ω为外界声的激励角频率；i为虚数单位；Γ为耗散损耗因子。

在过去的二十年中，Helmholtz共鸣器的概念已经被广泛应用到声学超材料的发展之中。2006年，Fang等[13]提出了一维亚波长Helmholtz共鸣器的声学超构材料，观察到发生局域共振时等效弹性模量为负，并根据等效介质理论计算了能带结构和透射系数。

Helmholtz共鸣器利用空气的振动特性，在低频和轻质化设计方面具有良好的优势。到目前为止，Helmholtz共鸣器式隔声超构材料在工程领域得到了广泛的应用。但Helmholtz共鸣器局部共振频率范围较小,隔声频带单一，为了拓宽Helmholtz共鸣器低频隔声带宽，往往需要将其组合或周期性排列设计。Nguyen等[32]设计了一个亚波长消声器，采用紧凑组装的狭缝型Helmholtz共鸣器结构，同时实现低频宽带隔音和通风，如图1(a)所示。数值研究和实验表明，在0.48～0.95 kHz目标工作频带上，传输损耗整体超过30 dB，最大隔声性能超过50 dB。此外，该设计可实现恒定横截面的直气流通道，在管道环境中仍可保持良好通风性能。Kim等[33]提出了一种气流通畅的隔音窗，它由一个三维强衍射型谐振器阵列组成，每个谐振器上都有许多开孔，如图1(b)所示。谐振器的负等效体积模量产生膨胀波，同时窗口表面亚波长气孔可进行通风，并通过实验证明该隔音窗结构低频段隔声的有效性。Liu等[34]研究了超构材料型海水管道系统声波传输特性，超构材料管由周期性空气水室Helmholtz共鸣器轴向排列而成，可在低频范围内产生宽带隙，使低频声波在管道系统传播受到抑制。Theocharis等[35]研究了周期性排列的Helmholtz谐振器的充气管结构，如图1(c)所示。考虑固有粘热损失，采用布拉格间隙调整谐振器，研究了周期性局部共振结构中慢声波传播的极限和各种特征，该研究可应用在慢声波滤波、宽带衰减和二维三维结构中非线性过程的增强。

上述研究将若干个Helmholtz共鸣器组合或周期性排列设计，显著地拓宽了传统Helmholtz共鸣器的工作隔声频带。想要进一步降低隔声频带范围，可以通过设计Helmholtz共鸣器的大体积空腔、长脖颈结构，但这显然不利于结构设计的小型化。为了不显著增大Helmholtz共鸣器尺寸，更好地操纵低频噪声，Zhao等[36]将声学亚波长超表面层引进Helmholtz共鸣器设计，研究了隔声能力随相位梯度的变化，结果表明在不显著增大Helmholtz共鸣器尺寸的情况下，引进声学超表面层可显著降低Helmholtz共鸣器的隔声频带。Kumar等[37]组装了一种小型通风型可调隔音屏障，超构材料单元由一个方形结构和其中央通风孔内壁上带有两个方形颈部的Helmholtz腔组成，如图1(d)所示。实验结果表明，该设计在中低频范围内能显著实现窄带噪声衰减，同时保持45%的空气循环通风面积。

图1 Helmholtz共鸣器式隔声超构材料 (a)基于狭缝型亥姆霍兹谐振器的通风型超构材料[32];(b)气流通畅隔音窗[33];(c)局域共振周期性结构中的慢声传播[35];(d)通风型声学超构材料窗面板[37]

3 薄膜薄板式隔声超构材料

薄膜型声学超构材料由张紧并固定在腹膜环的薄膜和固定在薄膜上的质量块组成[38]。薄膜薄板声学超构材料工作机理是利用薄膜薄板小弯曲刚度特性，在低频声波激励下弯曲共振并与入射波耦合，增加共振模式提高超构材料内部低频声波的能量密度，达到隔绝或吸收低频声波的效果。2008年，Yang等[39]首先提出了一种具有负等效质量密度的薄膜型声学超构材料。Sui等[40]设计了一种蜂窝型声学超构材料，该结构在低频率500 Hz以下声波传输损耗均大于45 dB，且面密度仅为1.3 kg/m2，如图2(a)所示。此外，以蜂窝超构材料为核心材料的夹层板在低频率下声学传输损耗始终大于50 dB。

通过采用不同的材料填充到两个膜间的空间或通过框架支撑薄膜，均可提高薄膜型声学超构材料的隔声性能。Wang等[41]利用层状声学超构材料在声学自由场中同时实现声学完美吸收和宽带绝缘的机制。通过耦合两个填充多孔材料声学超构材料组成的层状膜型声学超构材料，将上层声学超构材料的谐振频率调为与下层声学超构材料反共振频率相同。在临界频率声波激发下，层状声超构材料可以有效地将声能集中到两种耦合的膜型超构材料之间的区域，通过填充多孔材料将声能转化为热能。该超构材料结构优异的性能源于双零等效参数的实现，即零等效质量密度和零等效体积模量。实验测得在200～1 000 Hz频率范围内能实现大于30 dB的宽频隔声，如图2(b)所示。他还提出了一种受膜约束的声学超构材料，超构材料单元使用一根长棒约束住方形刚性框架并抵住上层膜的中心，如图2(c)所示[42]。该结构的声传输损耗可在140 Hz达到26 dB的峰值，通过有限元模拟计算了单元平均法向位移、等效面密度和有效动态质量，并阐明了该声学超构材料的隔声机理。

之前的研究中，质量块通常布置在薄膜型隔声超构材料的中心。通过合理布置薄膜型隔声超构材料面板上的质量块，可以进一步提高薄膜型超构材料的隔声特性。Lu等[43]对膜型声学超构材料与偏心质量的声-结构耦合进行模拟，并通过优化结构参数(如厚度、质量、形状、分裂数、分裂间隙大小和分裂环质量大小)提高隔声性能。添加到膜上的质量块可改变膜表面密度和限制膜位移，从而诱导新反共振模式。研究表明，在小于300 Hz低频范围内，外半径为60 mm，内半径为50 mm的4裂环确定为最佳质量配置，与单膜相比可提高5 dB的声传输损耗。Wang等[44]研究了由方形单元阵列组成的大型面板的隔声特性，结果表明，在低频范围内该结构出现了明显的声传输损耗峰(38 dB)。通过合理布置超构材料面板上的质量，实现了基于多单元协同耦合的宽带隔音目标，在300～900 Hz的范围内，得到了平均传输损耗高于20 dB的宽带绝缘，如图2(d)所示。

图2 薄膜薄板式隔声超构材料 (a)蜂窝状声学超构材料[40];(b)分层膜型超构材料[41];(c)受膜约束的声学超构材料[42];(d)大型耦合板式声学超构材料面板[44]

与附着有质量块的薄膜型隔声超构材料相比，没有质量块的薄膜薄板型隔声超构材料在一定程度上可以展现出更佳的隔声性能。Li等[45]提出了一种无质量附着的多层蜂窝膜型声学超构材料，通过改变细胞数、膜层数、膜厚度、蜂窝芯厚度和膜的材料调节声传输损耗幅值。研究表明，在超构材料每单元面积质量只有0.29 kg/m2、结构总厚度为4.2 mm的情况下，平均传声损失达到17 dB。Ang等[46]提出了一种大表面(0.8 m×0.8 m)膜型声学超构材料，可在低频宽带内实现良好的隔声效果。分析研究表明，该面板的宽频隔声性能是由共振悬垂膜和沿晶胞边界夹层膜的共振行为导致。Jung等[47]设计了一个声学超构材料面板，该面板上以阵列形式分布了一系列开有环形腔的孔，在保证流体通畅的同时，降低可听频率范围内的噪声。Gao等[48]设计了一种低面密度蜂窝硅橡胶声学超构材料，蜂窝铝的加入降低了整体结构的张力，使得薄膜的振动接近薄板。实验表明，该声学超构材料声传输损耗大大高于单层硅橡胶超构材料，蜂窝结构边长和单元结构厚度会影响阻尼控制区的声传输损耗。

薄膜薄板式隔声超构材料的优点是结构小型轻质，且能在低频段形成带隙，即可以抑制低频段弹性波的传播，实现良好低频隔声效果。在工程实际中，可以利用薄膜和薄板的轻质特性，设计轻质降噪面板来降低低频噪声，尤其可以应用在对质量要求较高的航空航天和汽车制造工业领域中。但薄板式声学超构材料的缺点在于本身结构太薄且刚度不足，难以承受工程实际中所需的重量。大多薄膜隔声超构材料的性能对膜上施加的张力非常敏感，而张力很难在长时间进行控制和保持，可能会随着时间的推移而急剧变化，或随着温度和湿度略微变化，这也限制了其在工程界的广泛应用。

4 折叠卷曲空间式隔声超构材料

Helmholtz式隔声超构材料的研究取得了巨大的进展，但又有结构复杂、体积大、隔声带隙窄等缺点。而薄膜薄板式隔声超构材料则存在寿命短、容易变形、隔声性能不稳定等局限性。为了克服这些缺点，学者们把螺旋形、迷宫式、弯曲形和折叠链形等结构引入隔声超构材料中，设计了折叠卷曲空间式隔声超构材料结构[49]。折叠卷曲空间式超构材料具有良好的隔声性能，一方面由于通道壁面为空气流通提供了足够的摩擦阻力，有效降低声速并导致声能量衰减；另一方面由于声波进入结构沿盘绕或折叠路径传播，传播路径比结构的外在物理尺寸长得多，延长传播时间的同时有效降低了相位速度，这样就可以克服Helmholtz共振型和薄膜薄板式隔声超构材料的缺点。折叠卷曲空间式声学超构材料已在很多工程场合中应用，如声波导和声透镜等。

Yu等[50]研究了周期性亚波长声学超构材料光栅的声能传输，亚波长单元周期地排列在单层光栅上，如图3(a)所示。在设计频率范围内，低频段传输损耗可达到40 dB。亚波长单元几何形状、光栅元素周期性和入射角都对传输损耗有显著影响。Zhao等[51]提出了一种宽带隔声分形结构的声学超构材料，如图3(b)所示。该结构在反共振频率附近具有较高的反射系数，可获得较高的声传输损耗，具有通风性好、厚度小等优点。Yang等[52]提出了一种可用于低频声能衰减的多孔声学超构材料面板。该结构包括两个间隔适当距离的薄板，薄板中间各自有一个方形通孔，并在两空心薄板之间插入亚波长刚性隔板，刚性隔板有“四分之一模型”和“半模型”两种形式。传播至超构材料薄板中心孔时，声波进入L形亚波长缝隙使得传播速度降低达到了隔音效果，如图3(c)所示。实验研究表明，四分之一模型面板在1 400 Hz至2 500 Hz频率范围内传输损耗峰值约为30 dB；半模型面板在730 Hz至2 300 Hz频率范围内可被观察到传输损耗带宽的增加，最大传输损耗峰值约为18 dB。该设计可使声波在亚波长单元以2π的相位延迟进行传播，产生较高的声传输损耗。

图3 折叠卷曲空间式隔声超构材料 (a)周期性光栅结构声学超构材料[50]；(b)分形结构声学超构材料[51]；(c)慢波超构材料面板[52]；(d)高反射的超稀疏超表面[17]

除了上述研究，带有螺旋通道的卷曲空间式隔声超构材料也可以获得优异的隔声性能。Cheng等[17]利用Mie共振性质，设计了一种二维亚波长高反射超稀疏表面，如图3(d)所示。该结构仅有0.15个波长的厚度，面密度填充比仅为15%，低频声波插入损失最高超过93.4%。借助特征态分析和等效参数反演表明，一个超构材料单元内存在两个独立负带，其中一个是由单级共振产生的负体积模量能带，另一个是由偶极共振引起的负质量密度能带。Chaffarivardavagh等[53]提出了一种类似Fano干涉的亚波长开放超构材料，该设计由外围螺旋环绕结构和中心通孔两部分组成，高效衰减流致噪声的同时保持良好的通风性。中心开放区域可保持空气高效畅通，而周向螺旋腔能使声能大幅度衰减。实验表明，在小于460 Hz的低频段可降低高达94%的透射声能。Sun等[54]设计了一种平面轮廓型亚波长厚度的通风屏障，该结构由一个中央空心孔和两个不同间距的周向螺旋通道组成，结构厚度仅为50 mm(约为波长的八分之一)。该结构在900～1 418 Hz频率范围内有效阻挡90%的入射声能，并且可通过调节螺距来调整隔声频带范围。Maurya等[55]提出了一种3D迷宫式空间盘绕型声学超构材料结构，显示出双负特性且具有良好的隔声性能。Man等[56]提出了一种具有分形空间卷曲的米氏共振超构材料，并且系统研究了分形层次对空间卷曲能带结构和波传播行为的影响，结果表明，随着分形层次的增加，总带隙宽度逐渐增加，并产生多带隙，而最低带隙也会转移到较低的频率范围内。此外，具有分形卷曲空间的三阶分形结构对不规则排列(包括水平位移、垂直位移和旋转平移)表现出良好的鲁棒性。折叠卷曲空间式能表现出较高的负折射率和频率色散现象，且通过改变几何特征参数，可将带隙位置和宽度调整到所需频带内。但这种结构对制造要求很高，导致制造成本昂贵。

5 组合式隔声超构材料

前面概述了Helmholtz共鸣器式、薄膜薄板式和折叠卷曲空间式三种类型的隔声超构材料，这些隔声结构可以良好实现隔声材料的小型化、轻量化和轻薄化，并在低频段达到良好隔声效果，但分别又有隔声频带窄、刚度不足、设计制造困难、成本昂贵等缺点。针对上述缺点，研究人员尝试将上述结构组合在一起获得更佳的隔声性能。

结合Helmholtz共鸣器式和卷曲空间式隔声超构材料，Wang等[57]研究了一种具有卷曲隔板的侧支腔，当隔板逐渐延伸到空腔中，卷曲路径被拉长形成空间卷曲谐振器，如图4(a)所示。事实上，这一空间卷曲谐振器将传统的Helmholtz谐振器和四分之一波长管连接起来，通过扩展分区，声传播有效空间被拉长，工作波长可达到原始空腔边长的大约26倍，导致基频共振频率移动到较低的值，揭示了通过一个小单元对低频声波的操纵能力。

同时，也有研究人员将Helmholtz共鸣器和薄膜薄板结构隔声超构材料结合在一起，获得了更优的隔声性能。Zhang等[58]设计了由Helmholtz共鸣器和内置装饰膜组成的声学超构材料，同时具有隔声和能量收集功能，如图4(b)所示。理论和实验证明，所提出的超构材料可获得两个隔声带，收集的声能也在同频率下有效获得。入射声压为1 Pa时输出功率峰值可达244 nW，比之前报道的具有相同输入的单膜结构高出大约14倍。此外，选取适当的参数可在更宽频率范围内(带宽可达90 Hz)实现平均输出功率约为20 nW的大量能量收集，该结构可用于噪声控制和能量收集等许多潜在应用。Zhang等[59]报道了一种在不同频率范围可调谐的声波传输耦合结构，如图4(c)所示。该结构由一个柔性Helmholtz共鸣器和一个波导组成，可激发出三种主要耦合模式，并产生带阻滤波器效应。通过改变电磁力改变膜张力调节耦合振动状态，实现可调谐的滤波器效应。Yamamoto[60]提出了一种新型声学超构材料板，该板周期性间隔地嵌入Helmholtz共鸣器。与传统平板相比，该超构材料板在Helmholtz共鸣器谐振频率下表现出优异的隔声性能。在共振频率下，超构材料板动态密度比同质量传统固体平板大得多，并通过嵌入多个不同共振频率的谐振器加宽隔声频带。

在另一项研究中，Ang等[61]提出了一种无张力膜的概念验证设计，如图4(d)所示。该板式声学超构材料除膜本身共振特性外，通过一个孔口结构的耦合补充两个封闭空腔之间的声耦合效应，提高材料的隔声性能。孔口直径可作为选定频率下传输损耗的调节参数。这一设计可以解决典型膜型声学超构材料工业应用中的缺陷，如膜的耐久性不足、应力松弛和板的空间一致性等问题。

图4 组合式隔声超构材料 (a)空间旋转谐振器[57]；(b)具有隔声和能量收集功能的复合声学超构材料[58]；(c)柔性亥姆霍兹谐振器和波导耦合的可调声滤波器[59]；(d)通过孔耦合具有空腔的板型声学超构材料[61]

综上所述，基于各自结构特性和对声波的响应特性，隔声超构材料被分为四类：Helmholtz共鸣器式、薄膜薄板式、折叠卷曲空间式和组合结构式，四种隔声超构材料的隔声性能优缺点汇总于表1。

表1 各类隔声超构材料对比

6 结语与展望

近20年，声学超构材料的基础研究累积了丰富的成果，特别是在低频宽带隔声领域显示出非凡的应用潜力。本文阐明了不同类型声学超构材料的隔声机理，重点介绍了不同形式隔声超构材料的原理、结构、功能和应用场景。声学超构材料在兼顾小尺寸和轻量化的前提下，可实现对亚波长噪声的有效隔离，在一定程度上解决了低频隔声问题。

目前，声学超构材料隔声领域发展迅速，但挑战依然存在，蕴含着广阔的研究空间。例如，在设计层面，目前的算法技术已经能够对隔声超构材料的隔声性能进行比较精准的模拟仿真。在此基础上，未来可以结合人工智能算法新技术，如拓扑优化和机器学习，进一步突破传统设计方法的限制，有效控制材料特性，缩短设计周期，提高设计质量。预计该技术会成为隔声超构材料从概念验证到具有特定隔声功能应用领域过渡的一个关键组成部分。在制造层面，实验室设计的隔声超构材料的亚波长结构难以投放工业大批量生产，迫切需要开发适用于隔声超构材料的专门生产方法。最近，3D打印技术的快速发展为声学超构材料的制造提供了新的机遇，该技术最大优势在于可制造各种材料和尺寸范围的复杂结构。但该制造技术依然存在局限性，需要开发出更先进的制造方法。此外，为了提高隔声超构材料在宽频范围内的隔声效果，往往采取组合的方式，但这会损失结构的紧凑性。因此，为了在一定程度上保证隔声宽频带和结构紧凑性，未来制造隔声超构材料的基材可考虑采用活性超材料，如压电陶瓷和热电材料。通过外部实施主动刺激调控隔声超构材料的声学参数与共振特性，将带隙调整到所需频段范围内并获得更优隔声性能，这将成为未来很有潜力的一个发展方向。隔声超构材料若能结合多个学科领域综合发展，不断突破生产中碰到的瓶颈，将有望做到产业化和工程化，在国防、军事和民生领域体现出更多应用价值。