Page 233 - 《振动工程学报》2025年第11期

第 11 期 郑周甫，等：水声吸声超材料拓扑优化设计 2691

互作用。其在声波波动、载荷传递、光波传输等行 限于窄频响应，难以覆盖水下复杂噪声的频谱范围 [31] 。
为调控上展现出广阔的应用前景。超材料“结构决 为深入探究人工精细化设计的弹性超材料在水
定功能”的设计理念，为传统功能材料的性能突破提 下吸声材料中的应用潜力，从而针对性提升水下吸
供了一种思路。 声材料在低密度、高刚度与高效吸声等方面的综合
在水下声学领域，吸声材料的核心需求同样是 性能，本文首先基于数学模型构建理论分析框架，进
对声波的高效吸收与调控 [11] ，这与超材料通过微观 而引入拓扑优化算法开展声学超材料结构的自动寻
结构设计实现物理场操控的本质高度契合。水声吸 优设计。该优化设计方法突破传统设计方式中对人
声材料在降低噪声污染、提升水下探测精度与降低 工经验的依赖，实现吸声结构的按需演化生成；通过
通信信号干扰等方面展现出显著效用。水声吸声材 多目标协同优化策略平衡各项性能间的矛盾关系，
料以“吸收声波能量、抑制反射信号、衰减噪声强 最终实现宽频带内的高效吸声效果。这种“结构-功
度”为核心作用机制，不仅为生态保护、科学探测等 能”一体化设计思路，有望为破解水下超材料的工程
领域提供了关键的技术支撑，更成为现代水下工程 实用性难题提供系统性解决方案。

与声学技术体系中不可或缺的功能性材料 [12] 。
水下吸声材料依赖于表面阻抗匹配和阻尼耗散 1 水 声 吸 声 超 材 料 声 学 特 性 分 析
的基本吸声机理。其中，阻抗匹配条件能够保证声
波可以充分进入材料内部，防止吸声材料的界面上 本文设计的水声吸声超材料包含黏弹性阻尼材
直接发生强烈发射；阻尼耗散则使得进入吸声材料 料 和 超 结 构， 如 图 1 所 示 。 超 材 料 y 方 向 （ 上 下 边
内的声波被充分耗散衰减，最终减少反射能量。由 界）为周期边界，超结构密封在左右两侧的橡胶层
于橡胶、聚氨酯等黏弹性高分子材料与水的特性阻 内。水域中的入射声波依次经过超材料的第一层橡
抗接近且具有较高的损耗因子，因此常被用作吸声 胶、超结构层和第二层橡胶，最后到达钢背衬。其
材料的基体材料。传统水下吸声材料主要通过在黏 中，橡胶层为黏弹性阻尼材料，具有声波耗散能力，
弹性高分子材料内部设计孔隙结构实现对声波的高 而超结构具有对传播声波进行调控的特性。本文中
效吸收，典型代表就是 20 世纪 90 年代提出的“Alberich” 超 结 构 基 材 选 用 复 合 材 料， 并 认 为 其 损 耗 因 子 为
水声吸声材料 [13] ，其由橡胶材料内嵌圆柱形空腔构 零。水声吸声超材料一侧与水域耦合，另一侧贴敷
成。为进一步改善空腔结构导致的阻抗失配问题， 在钢背衬上，钢背衬与空气域耦合。
多孔梯度结构设计也得到了广泛发展 [14-16] 。除此之
橡胶层 钢背衬
外，一些微粒 [17-18] 、质量体 [19-20] 等内嵌物也被提出用 橡胶层 超结构
水域
于提升低频吸声性能。
入射声波 空
基于超材料思想，水下吸声材料设计中也逐渐 气
y
引入复杂的几何微结构设计来调控声波，以实现良 z x 域
好的声学性能。例如，将局域共振结构（由硅橡胶包 o
覆金属芯体形成）引入水声吸声材料设计中，可以实
反射声波
现与共振频率相关的低频高效声吸收 [21-23] 。通过内 y 1 y
嵌多尺度组合的局域共振单元，则可以利用不同共 x 1 θ
o
振频率的耦合效应一定程度地提升吸声带宽 [24-25] 。 x
而通过微结构设计实现的超结构，可以在橡胶材料 图 1 水声吸声超材料示意图
中将入射纵波转换为横波，发挥橡胶材料对横波高 Fig. 1 Schematic diagram of hydroacoustic metamaterials for
sound absorption
效吸收的特点以实现高效吸声 [26-28] 。
尽管当前水下吸声材料的设计已从传统单一空 本文所研究的超材料主要用于吸收水下环境内
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腔内嵌，向多材料复合、多尺寸组合、多结构杂化等 的声波。由于水的特性阻抗（1.48×10 N·s/m ）是空
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方向发展，但这类设计仍高度依赖研究者的经验积 气特性阻抗（4.15×10 N·s/m ）的近 3600 倍，很多在空
累与试错迭代，难以在设计过程中系统性地平衡“轻 气声学中可以视为刚性壁的物体，在水域中仍然可
质、耐压、高效吸声”等多目标需求。例如，为追求 以轻松穿透。为实现水域内的良好吸声，抑制反射
吸声效果而设计的大量内嵌空腔可能导致结构刚度 回波，本文开展了相关研究。由于水和空气在特性
过低，无法承受深海高压 [29] ；为提升低频吸声性能而 上的这种巨大差异，本文所研究的吸声材料仅能够
增加的质量体则会显著增加材料密度，难以满足轻 用于水下环境，并不能直接运用于空气声环境。
量化要求 [30] ；依赖单一局域共振单元的设计往往受 在水声吸声超材料中，弹性波调控的核心组件