从天然生态材料到人工结构，现代降噪材料综述
“噪音”一词源于拉丁语单词“Nausea（恶心）”，表示不想要的声音、意外的声音或不愉快的声音。尽管噪声和声音的定义相同，但声音是理想的形式，而噪声是不理想的声音形式。交通和建筑技术等不同领域的进步导致发展中国家地区的噪音水平显著提高。世界卫生组织（WHO）预测，发展中国家的人更容易出现听力问题。听力问题可能是由于短时间或长时间暴露在噪声中而引起的。从高噪声暴露造成的损害中恢复过来平均需要三个月。噪音会导致许多健康问题，如缺乏放松、认知障碍、睡眠障碍、心血管问题、女性先兆子痫、躁动、高血压等。因此，有必要找到减轻日常生活中各种来源产生的噪音的方法。噪声可以通过三种方式进行控制，在声源处设置衰减系统，在通路上使用隔音材料，在接收端使用防护设备。在过去二十年中，声学领域在吸收或抑制声波传播方面有了巨大的发展。传统的声学材料在低频隔音和吸声方面有一定的局限性。天然纤维和再生材料是传统材料的替代品，因为它们成本低，环境影响小。但是，天然材料有一定的局限性，如高可燃性和吸湿性。声学超构材料为控制传统材料无法实现的声波提供了一种有效的方法。在超材料中，声学设计在吸声或降噪方面起着至关重要的作用。超材料是含有周期或非周期单元的人工结构，但局部共振被动型超材料的吸声频带较窄。一些最新的声学材料，如空间卷曲、可调谐或有源型以及多功能超材料，在衰减声波方面表现出优异的性能。金属泡沫和先进的聚合物泡沫在控制阻尼和吸声能力方面也得到了关注。声学材料的整体示意图如图1所示。
图1:声学材料的总体示意图
在这篇综述中，我们将讨论各种类型的声学材料，如天然纤维和再生材料、超材料、声学黑洞、微穿孔板，从结构布局和材料角度讨论了先进的泡沫材料。还讨论了增材制造技术用于构建复杂结构的能力，如穿孔板、梯度折射率材料、空间卷曲声学超材料和周期结构等。
声学材料
从原理上讲，人耳探测的声音是撞击表面后传播回来的声波。表面上的粒子在撞击时会经历运动诱发的振动，这会在周围空气中产生压力差并产生声波。这种波通常是纵向的，称为频率，测量单位为赫兹。压力的变化是人类耳朵将检测到的声音。声学中有一些关键的声级指标，即吸声系数（SAC）、声功率级（SPL）、声压级（SPL）和声强级（SIL）。吸声系数（SAC）是吸收能量与入射能量之比。具有较高吸声系数的材料是合适的隔音材料。传输损耗（TL）是声波在入射波和另一个关键测量单位上传输的分数。降噪材料比反射材料对声波具有更好的吸收和透射。根据孔隙率的不同，不同材料具有不同的吸声系数（SAC）。
天然纤维和再生材料
天然纤维具有多孔结构，具有很高的声学性能。将多孔材料暴露在声波中，使空气在孔隙内振动，并转化为其他能量形式。天然纤维具有环境友好、可生物降解、性价比高、无有害影响等优点，被称为绿色材料。纤维的几何形状（如直径、长度、横截面形状和规则性）会显著影响其声学特性。利用阻抗管法对吸声特性进行了表征。在不使用粘合剂的情况下，分析了红麻、木材、大麻、椰子、软木、甘蔗、矿化木和纸板等天然纤维的声学特性。致密的红麻和矿化木材显示出较高的流阻率。由于与气流运动平行的长开放通道，纸板具有低气流阻抗性。具有高流阻值的多孔材料已表明具有良好的吸声性能。
未经任何化学改性的玉米壳风干后，表现出良好的吸声特性。多层结构并不能提高玉米壳的吸声性能，但增加背腔距离会影响玉米壳的吸声系数。由干椰壳纤维制成的吸声板，以最低浓度的柠檬酸溶液作为粘合剂，具有更好的吸声能力。竹纤维的声学性能相当于合成玻璃棉。从甘蔗废料中提取的甘蔗渣纤维材料，由于其纤维特性，具有卓越的声学衰减性能。厚度和气隙显著影响纤维材料的声学性能。一些具有良好吸声特性的天然纤维如图2所示。
图2：天然纤维 -（a）红麻纤维板，（b）风干玉米壳，（c）甘蔗渣，（d）无纺布。
与合成纤维相比，天然纤维（如苎麻、亚麻和黄麻纤维）及其复合材料的吸声系数具有良好的吸声性能。以天然纤维为基础的无纺布地板覆盖物，如红麻、黄麻、废棉和亚麻，与聚丙烯和聚酯混合，有助于汽车内部降噪结构的设计。新材料如fique（特有龙舌兰品种）可以通过喷涂天然胶乳进行压实而制成无纺布。与合成材料相比，它具有优越的声学性能。处理过的阿尔法纤维和锯末木纤维与聚醋酸乙烯酯粘合，可制成生物复合吸音板。与聚丙烯混合的马利筋纤维具有显著的抗拉强度、硬度、较小的吸水性和良好的吸声性。
可回收（再生）材料也具有很高的降噪系数。简单的再生纸具有很高的孔隙率，以鸡蛋盒的形式进行测试，具有很好的降噪系数。纺织物、玉米、报纸废料被回收成纤维，并使用聚醋酸乙烯酯粘合，还具有吸声性能。岩棉在管道系统中表现出显著的声学性能。真空环境中的多孔材料可大幅降低噪音。
超材料
超材料是一种人工周期性结构，具有与传统材料不同的特殊波特性。它通过负质量密度和负体积模量控制声波的传播。声学超材料分为薄膜型、共振结构、声子晶体和空间卷曲结构。
薄膜型超材料，由附着在薄预应力弹性膜上的小刚性块组成。一种圆形薄弹性膜，由一个相对刚性的网格固定，并且在每个网格的中心有一个小的重物。它产生一个负的动态质量来削弱垂直于薄膜平面入射的弹性声波。这些堆叠的超材料面板具有广泛频率范围内的内部声音传输损耗。对于被动膜，可根据膜预应力、附加质量的大小、质量位置和附加质量的数量调整频带。如图3（a）所示，一种安装在两个相同丙烯酸纤维亥姆霍兹腔之间的有源压电薄膜基异向材料可以实时调谐。根据应用情况，主动压电膜可以在不改变其物理结构的情况下改变其材料性能。磁机械超材料由聚酰胺制成的弹性膜和软磁中心质量组成，如图3（b）所示。施加在中心质量上的磁力可以在很宽的频率范围内调整传输损耗。这种可调声学超表面在声学成像、隐身和传感方面具有潜在的应用。
图3：薄膜型超材料 - （a）压电膜单元，（b）磁机械可调谐质量加权膜；共振结构 -（c）具有共振元件阵列的夹层板，（d）双亥姆霍兹共振板。
共振结构由孔、通道或其他嵌入式结构阵列组成，用于声学过滤和声音控制。通过使用亥姆霍兹谐振腔进行有效的噪声控制，实现了可压缩性接近零的声学超材料。通过在平板中周期性地排列亚波长单元来构造单层声光栅。每个单元包括一组螺旋谐振器引线，以抑制声音传输。声透射损耗受单胞几何形状、光栅元件的周期性和入射角的影响。多孔聚氨酯海绵，重量轻，易于制造，由于亚波长吸声不足或慢波现象，其吸音能力有限。采用多孔聚氨酯海绵嵌入多层I形板，可提供高吸声性能，从而制成复合材料。复合多孔超材料在建筑声学中有着显著的应用，可以降低工业设备的噪声和振动。通过将橡胶和金属圆柱体固定在薄板上，设计了一种多层板式超材料，可在低频下提供隔音效果。
为了降低中低频噪声，制作了一种3D打印的薄拼图状超结构。这种超结构有一个带有两个颈部的亥姆霍兹室，可显著增强吸声特性。制作了一种用于低频宽带弹性波吸收的3D打印周期晶格结构。在三维周期晶格结构中，每个单元都有一个单体心立方晶格，该晶格有三个结构构件，包括外部框架、内部杆和谐振器。在单体中心立方晶格中，引入具有半径跳跃不连续性的交叉支柱有助于在低频下产生局部共振带隙。夹层板由蜂窝夹层板和周期性排列的谐振单元组成，谐振单元由软橡胶和硬铜材料制成的圆柱形块组成，以降低声音，如图3（c）所示。带有单个亥姆霍兹谐振器的面板具有单个吸收峰，用于吸收低频下不需要的声音。然而，如图3（d）所示的具有双谐振器的面板给出了两个窄峰，并拓宽了吸收带宽。
声子晶体或声波晶体在材料中有规则的声散射阵列或共振点。利用高密度铅芯作为包覆硅橡胶的实心，在环氧基体材料中以有序或无序的方式排列包覆的球体，制备出声波晶体。对于随机排列，没有共振透射峰。它还具有有效的负弹性常数和特定可调谐声波频率范围内的全波反射器。二维声子晶体方形晶格由嵌在聚酰亚胺气凝胶中的圆柱形压电棒组成，用于衰减低频噪声，特别是用于气动声屏蔽应用。3D可打印弹性超结构由聚碳酸酯晶格和嵌入的钢立方体组成，用作局部谐振器。这种结构控制了弹性波的传播，有助于实现宽而低的带隙。使用光敏树脂打印出沿入射方向具有线性孔隙率分布的三维连续梯度声子晶体结构，如图4（A）所示。这种梯度结构比均匀声子晶体和离散阶跃声子晶体具有更好的吸声特性。声子结构由面心立方排列的球体组成，球体与圆柱形杆连接，形成具有声子带隙的Yablonovite结构。Yablonovite结构的空间方向和入射场极化的差异表明了透射频谱的差异。
空间卷曲结构是延伸曲线或折叠声路，导致负弹性模量。迷宫单元具有超材料特性，并通过3D打印使用热塑性材料制造，如图4（b，c）所示。声波在折叠通道中传播，以产生较宽的负折射率频率范围。但对于传统的局域共振结构，负折射率只能在较窄的频带内出现。耦合到多腔盘绕空间的微穿孔板提供了更出色的声能吸收。具有四方和六边形空间排列的陶瓷微晶格表现出声能带结构和带隙，阻止特定频率下的声能传播。空间螺旋迷宫超材料将传播声波，沿路径交替传播。它可以有效地阻挡波导中的声波，并在亚波长尺度上的两个倾斜频率下表现出吸声特性。超材料的空间卷绕Hilbert分形几何设计在亚波长尺度上提供多个带隙。这种空间卷曲用于亚波长尺度上的声滤波装置和波前整形。
图4：（a）连续梯度声子晶体沿入射波降低了孔隙率；空间盘绕结构 - （a）迷宫单元，（b）具有相同迷宫单元的组装棱镜。
另一种使用有源声学超材料的方法是使用非厄米特声学超材料激励压电膜以调节声学特性。常见的非厄米特声学超材料类型有声学增益超材料和奇偶时间对称声学超材料。这些系统通过补偿超材料固有的放纵性，有效地确保了不损失性能。除了用于降噪外，这些超材料还可以与成像系统和模拟计算系统结合使用。由银和钛分裂环谐振器组成的非厄米超表面具有相同的谐振频率但不同的损耗系数。通过调节Ti裂环谐振器间隙中硅的导电率实现奇偶时间对称相变的主动控制。这种奇偶时间对称可控系统不需要一系列超表面结构。
声学黑洞
声学黑洞（ABH）技术被用来增强衰减特性，并通过捕获来逐渐停止入射波的速度。这种ABH技术是通过改变几何或材料特性，嵌入局部不均匀性的薄壁结构来实现的。对于声学黑洞结构，一些典型的几何结构包括锥形、楔形、螺旋、阻抗轴向变化的声管，这些声管由直径不断增大的分支盘组成，二维圆形声黑洞、单边和双边ABH狭缝。
采用3D打印技术制作了沿轴向（图5a）排列的具有多项式异形锥度和梯度材料的梁，以及沿厚度方向（图5b）排列的梁。功能梯度锥度的材料模量和厚度从均匀部分到尖端逐渐减小。这种功能梯度ABH比传统ABH结构具有更低的波反射。矩形板或条带边缘的幂律异形楔可以表示为声学黑洞，用于有效吸收幂律楔尖端的弯曲波。与具有吸收层的钢制槽板相比，具有幂律剖面槽（图5c）且无吸收层的碳复合材料板的振动阻尼大幅增加。环形声学黑洞通过将圆柱壳中的超声波转换为亚音速波来减缓弯曲波以减少振动。
图5：声学黑洞 -（a）沿着排列的多项式异形锥形和梯度材料的梁，沿（a）轴向（b）厚度方向排列的梯度材料；具有幂律剖面楔块的碳纤维复合板-（c）纵截面（d）机加工复合材料样品。
微穿孔板
微穿孔板（MPP）是一种具有结构稳定性和良好声学性能的穿孔板。MPP可用于管道和消声器应用，通过选择合适的表面阻抗穿孔，有助于最大限度地提高传输损耗。具有圆形穿孔的穿孔板比其他形状的穿孔板效率更高，并且具有较高的吸声系数。具有可调机械挡板的可调吸声频率蜂窝微穿孔板具有良好的吸声性能（图6a）。它包括上表面微穿孔板、蜂窝侧壁、底板和内部可调穿孔芯，该穿孔芯通过与刚性杆连接的旋转机构具有可调挡板（图6b）。以所需角度旋转这些挡板可增加噪声吸收。
图6：微穿孔板 -（a）可调吸声频率蜂窝结构（b）内部可调穿孔结构 (c）压缩和微穿孔金属板 (d）具有发散收敛图案的印花穿孔。
与原始多孔金属吸声器相比，多孔金属板（图6c）的压缩和微穿孔提供了更好的吸声性能。复合板由橡胶废料、高密度纤维板地板锯末和HDPE颗粒混合而成。该面板是通过将混合物压入模具中制成的，并钻小孔以提高吸声系数。3D打印陶瓷穿孔板的吸声系数受穿孔率、多孔材料和气隙的影响。单层MPP吸收体由ABS印刷蜂窝芯粘合到刚性微孔板和铝背板组成。在低速掠流下，这种MPP吸收器具有合适的面板厚度、穿孔率和小直径孔，可提供更宽带宽的吸声。
带有圆形穿孔的PLA面板采用3D打印，具有不同的横截面，如会聚-发散、发散-会聚、会聚和发散。穿孔的几何变化影响吸声系数和频带宽度。在所有横截面模式中，发散收敛穿孔具有更好的消声性能，如图6d所示。波纹铝微穿孔板有利于宽带随机噪声的降低，与传统的平板穿孔板相比具有良好的吸收性能。一种微穿孔板(MPP)表面，压电陶瓷与单个或多个共振电路并联。PZT的机电耦合增加了MPP的振动，从而实现低频宽带声耗。
高级泡沫
泡沫金属具有优良的刚度重量比、耐高温、能量吸收、可控阻尼和吸声能力等特性。封闭的金属泡沫由于具有不规则形状的封闭孔隙率，因此吸声性能较差。开孔Inconel金属泡沫的吸声率由孔隙率和孔尺寸控制。与图7a所示的穿孔固体样品相比，在闭孔铝金属泡沫（图7b）中应用规则圆柱形穿孔可提高声学性能。开孔泡沫铝是多孔金属，具有优异的结构性能和卓越的吸声特性。这些结构可以通过直接选择性激光烧结（SLS）进行印刷。泡沫锌具有阻尼能力，可作为吸声材料用于复杂的工业需求（图7c）。
图7：铝（a）多孔固体样品（b）多孔泡沫 (c）泡沫锌。
微孔聚合物泡沫塑料，如具有较高孔隙率的聚氨酯泡沫塑料和三聚氰胺泡沫塑料，是用于消除噪音的传统封闭式泡沫塑料。具有适当开孔度的半开孔泡沫具有令人满意的吸声性能，因为其复杂的内部几何形状由通过泡沫的复杂传声路径决定。柔性聚合物泡沫塑料更适合于隔音应用，因为它们具有更高的粘性耗散。聚醚嵌段酰胺泡沫具有良好的隔声性能。更小的晶粒有更多的接口，以耗散更多的声能，从而提高吸声效率。具有2D褶皱氧化石墨烯的3D多孔拉胀结构具有负泊松比，由于多种能量耗散机制，该结构可有效地提供声音和振动吸收。
声学材料的增材制造技术
增材制造是一种3D打印技术，使用计算机辅助设计逐层构建结构。它为设计和制造使用不同材料的有效隔音装置提供了很大的灵活性。它可以轻松地生产任何形状，克服了传统制造的局限性，并且具有定制的声学特性，制造更加可控。最新的应用包括谐振器、声波晶体、微米尺寸的晶格、空间卷曲结构和使用3D打印技术制造的微穿孔板。
对于声学结构，选择合适的打印技术取决于频率范围和构建分辨率。熔融沉积模型（FDM）用于低频声学应用。FDM工艺可以通过手动将共振元件放置在晶格内部来打印热塑性晶格。由于周期性和共振元件，这种结构具有更宽的带隙。在FDM工艺中，诸如椭圆长丝截面、长丝截面收缩和长丝表面粗糙度等微观几何缺陷会影响声学行为（图8a）。树脂分配3D打印机可以构建由热固性材料制成的周期性结构。周期结构的宽带声学特性可以通过选择较小的丝径、缩短两丝间的距离，改变丝的打印方向等参数，可以实现周期结构的宽带声学特性。
图8：3D打印（a）微晶格FDM工艺，（b）声子晶体-SLS工艺，（c）具有变螺距的空间卷曲结构-SLA工艺。
选择性激光烧结（SLS）工艺以良好的精度打印材料的粉末形式。SLS打印技术在打印期间不需要支撑材料。声子晶体是使用具有周期性空间结构的单一固体材料制成的（图8b）。有必要优化材料和空隙区域之间的晶体几何结构，以扩大带隙尺寸。更高频率的应用需要更高的构建分辨率3D打印机。立体光刻（SLA）打印机可以打印微米级晶格的高分辨率结构，以实现声子晶体行为。与非周期性元件相比，这种结构提供了强大的声波传输阻尼。在SLA打印中，多孔聚碳酸酯材料的吸声性能受穿孔角度的影响。通过保持恒定的孔隙率，斜孔穿孔角度的增加会降低吸声特性。螺旋结构由四个相互间隔90度的螺旋叶片组成，通过细长的中心柱连接，通过立体光刻工艺制成。螺旋结构可以减缓波的传播，因为声波被迫沿着螺旋路径而不是直线路径传播。SLA处理可以打印具有非均匀变化的螺距的空间卷曲结构，形成如图8c所示的梯度折射率。这在空气和超材料之间引入了阻抗匹配层，以改善宽带能量传输。
总结和未来展望
本文系统地综述了各种声学降噪材料，如天然纤维和再生材料、超材料、声学黑洞、微穿孔板和高级泡沫。
- 基于可再生资源（如天然纤维）的声学材料是环保材料，是传统或合成材料的可持续替代品。
- 超材料通过设计具有周期性或非周期性单元的人工结构开辟了一条新的途径，这些单元表现出不同寻常的特性，以拓宽带宽和低频率应用。
- 薄膜型、共振型超材料对吸声有显著贡献。无共振内含物（如间隔线圈和周期结构）的AMM可提供更大的带宽。
- 活性或可调超材料对不必要的能量损失具有补偿机制。主动超材料的有效特性有助于克服被动超材料的局限性。多功能超材料结合吸声和振动抑制提供了一种有效的解决方案。未来的声学超材料专注于捕捉不需要的声音，并将其重新用于能量转换。
- 声学黑洞是通过在梁和板等结构中嵌入局部不均匀性来实现的。它对结构的动态响应有重要影响，各种应用包括振动衰减、声波控制和能量收集。
- 借助先进制造技术，亚毫米穿孔微穿孔板的制造是可靠的。它是传统多孔吸声材料的一种很有前途的替代材料。
- 设计工具和增材制造工艺的最新进展表明声学材料的性能有了显著改善。3D增材制造能够制造复杂的3D声学结构，并在制造成本和时间方面减少复杂的传统制造过程。
- 未来的挑战是将设计原型转化为大规模制造和适用装备。
文章来源：Materials Today: Proceedings “A review on latest acoustic noise mitigation materials”，https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.05.600，原文作者S.E. Kishore, R. Sujithra, B. Dhatreyi
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