发布日期：2026-02-26 来源: 网络 阅读量（）
声学性能是潜艇等水下航行器最重要的指标之一，主要包含声隐身和声探测两个方面。声隐身的目的：一是降低其辐射噪声级，以减小被敌方被动声呐发现的概率及其作用距离；二是降低其声目标强度，以增加敌方主动声呐的探测距离。声探测的关键在于提高潜艇声呐系统的性能或其信噪比，其中最主要的任务是增加水听器阵的增益和减小近场自噪声。以上任务可借助在艇壳表面敷设一层或多层声学材料(或称声学覆盖层)来实现。按照具体要实现的声功能，这些水声材料可分为吸收型、去耦型、反声型、隔声型、透声型等。
水声超材料的研究可追溯到20世纪90年代。1995年，Milton和Cherkaev首次提出弹性性质与液体相仿的五模材料(PM)。2008年，Norris基于变换声学提出基于五模材料的声隐身理论，为利用五模材料实现声波调控奠定了基础，也引起了各国研究者对五模材料本身及利用其进行声波控制的研究浪潮]。五模材料具有固体形态、宽频等特点，被认为是在水声环境中具有重要潜在应用价值的一类水声超材料]。近年来，随着各国对海洋开发利用的步伐加快和制海权的争夺，对船舶海洋工程装备和材料提出了更高要求，水声超材料也受到越来越多研究者的重视。Li和Chan通过水中放置的软橡胶球阵列，将双负介质由电磁学推广到声学领域，指出负的有效模量和密度分别来自同一结构的单极和偶极共振，并进一步指出双负介质所具有的一些奇异性质，如负折射率和亚波长声聚焦等。自此，各种具有负折射率的空气声和水声超材料蓬勃涌现。如Brunet等人利用随机散布在水基凝胶中的橡胶微珠，设计了一种具有负折射率的水声超材料，实验结果表明，这些微珠的Mie共振可产生负折射率。Hou等人利用水中周期穿孔黄铜板，将Fabry-Perot共振和Woodanomaly产生的透射增强现象从电磁波引入至声学范畴，并进行了水池实验验证。He等人指出，声波入射到水声透明环氧薄板阵列会产生显著的声反射增强，该增强与周期阵列产生的衍射无关，是由单个薄板Lamb波模态的共振激发产生。He等人通过有效控制环状声振子的耦合强度，将拓扑声子晶体引入水声调控范畴，构造受保护的赝源自文库旋依赖的声传输，类比于量子自旋霍尔效应，来实现声波沿不同边界的传输。
吸声机理包括黏弹性损耗吸声、散射吸声、波型转换吸声、谐振吸声等。目前，这些传统水下吸声材料主要面临两方面的问题，一是低频吸声能力差的问题。由于常见均匀水声材料(如金属、橡胶等)在小变形条件下属于线性材料范畴，其动力学响应函数线性正比于时间变化率，而其黏滞力则正比于响应函数随时间的变化率，因此材料耗散功率正比于响应函数随时间变化率的平方，即正比于频率的平方。故频率越低，材料对入射声波的固有耗散越低，吸声越微弱。二是高静水压下吸声变差的问题。这是由于一方面，橡胶聚氨酯等高分子聚合物在大静水压力下会变“硬”，使得声能对弹性能的转换效率大大降低；另一方面，目前广泛用于水下吸声材料并具有一定低频吸声性能的是含有各种声学空腔的橡胶材料，随着静水压力的增加，这些材料内部空腔将在水压下产生较大形变，使其谐振峰往高频移动，丧失低频吸声性能。因此，亟须开发耐水压、低频、宽带的新型水声吸声材料。
反声型水声材料一般用于声呐基阵结构的声障板，其特性阻抗一般远大于海水(声硬障板)或远小于海水(声软障板)的特性阻抗，其主要作用是提高障板表面的声聚焦/反射能力，从而提高声呐水听器的灵敏度。隔声型水声材料用于阻断舰艇内部噪声向外的传播。透声型水声材料则相反，要求材料有优良的水下透声性能，一般用于声呐罩透声窗。目前传统水声材料主要面临对低频声波的调控能力差、体积与重量较大，以及耐压性能差的问题。
水声超材料包含的类型众多，要实现的声调控功能各异，由于篇幅有限，本文主要聚焦被动水声超材料，对与潜艇隐身及其声呐水声探测功能密切相关的三类水声超材料，即吸收型水声超材料、去耦型水声超材料及水声聚焦超材料的发展动态进行回顾、总结和展望。
作为水声吸声材料，一方面要求特性阻抗与水相匹配以尽量减小表面处的反射，另一方面要求有较高的损耗因子使绝大部分入射声波能被有效吸收。传统水声吸声材料一般采用橡胶和聚氨酯类均质高分子聚合物。然而对均质材料的吸声来说，材料表面声反射系数与其损耗因子成正比，即损耗因子越大，反射系数越大，与水的阻抗匹配越差，故阻抗匹配的要求与高损耗之间存在矛盾，因此须在均质材料内部引入特定声学结构，以保证与水阻抗匹配的同时增加材料对入射声波的衰减。目前吸声结构主要包括微粒填充型、孔腔谐振型、夹芯复合型、阻抗渐变型等。
声学超材料是一类具有很多常规天然材料所不具备的超常声学特性的人工复合结构。2000年，Liu等人提出局域共振声子晶体的概念，打破了传统声学结构遵循的质量密度定律，通过调控局域共振单元的有效质量和刚度控制其带隙宽度，将吸声频率降低两个数量级，实现了小尺寸对长的控制。自此，各种类型的声学超材料蓬勃涌现，从最初的三组分局域共振超材料到薄膜超材料、迷宫超材料、梯度指数超材料、仿生超材料、主动/被动复合超材料，到近年引起广泛关注的声学黑洞超材料]、拓扑超材料、非厄米超材料及石墨烯超材料等。但大部分研究集中在对空气声的调控，关于水声超材料及其声波调控的理论和实验研究相对较少，这主要是由于：⑴从水介质自身角度，一方面，水中声波波长更长，是同频率空气声波波长的近5倍，因此水声尤其是低频水声较同频率的空气声更难以控制；另一方面，声波在水中的损耗比空气中小得多，难以利用其损耗进行声波吸收或调控。⑵从水与结构耦合的角度，一方面，水介质的声阻抗相比空气介质的要大得多，常见金属(如钢)不能再被视为刚性而变成弹性体，其中除了纵波，还包含不同极化方向的剪切波；另一方面，水的密度大，水对结构的流体负载作用不能忽略，因此增加了材料设计和性能预测的复杂度。⑶从实验角度，水声实验从场地到仪器也比空气声实验要复杂和昂贵许多。这些都不同程度制约了水声超材料的发展。
水声材料包括的范围非常广泛，包括金属、橡胶、塑料、泡沫塑料、增强塑料等，可为天然均质材料，也可根据需求或工作频率来加工定制。其中，吸收型水声材料通常由橡胶或聚氨酯等高分子材料组成，用于增加舰艇结构表面吸收的声能量，提高其隐蔽性。去耦型水声材料通常为一层或多层柔性材料，如软橡胶敷设在航行器表面，在壳体与水之间造成阻抗失配，来降低或阻断舰载设备振动向外的辐射噪声。
