科普 | 江苏省振动工程学会第二届公益科普短视频竞赛一等奖——《减振降噪的新答案——超材料 》

作品标题：减振降噪的新答案——超材料

作者单位：河海大学

全体作者：吴卓展、刘上恺、张康林

指导教师：茅晓晨

视频链接：https://mp.weixin.qq.com/s/3calBPPWR1W1Ikh-C0xjcA

在我们的生活中，噪音和振动无处不在，它们不仅令人烦躁，还会影响健康与安全。而其中最为危险的就是低频振动。长时间处于低频噪声环境中，会增加疲劳感、焦虑感，并且会导致注意力下降。低频振动不仅降低舒适度，还可能威胁结构的寿命与安全。然而，传统技术在低频振动抑制上表现不佳，给实际工程应用带来了挑战。

今天我们要介绍一种神奇的材料/结构，能有效应对这些挑战，它就是超材料。超材料由人工设计的结构单元排列构成，可实现天然材料难以具备的特殊物理性能。超材料可以分为声学超材料、电磁超材料以及机械超材料等类型。超材料可在特定频率区间内有效抑制弹性波的传播，这类频率范围通常被称为禁带或带隙。

今天我们要重点介绍超材料的带隙特性，它能抑制声音与振动的传播，其形成机理主要分为两类：

（1）第一种原理是布拉格散射。当声波遇到周期性结构时，会在特定频率下相互干涉，形成传播禁区，这就是带隙。布拉格散射带隙主要与晶格常数有关，带隙频率与晶格常数成反比。如果要抑制低频振动，就要把结构做得很大，因而难以实现。所以我们通常认为布拉格散射对低频波限制效果有限。

（2）第二种原理是局域共振。通过在材料内部加入谐振单元，可形成局域共振带隙。局域共振带隙依靠内嵌共振单元与基体弹性波发生共振耦合，将波能转化为单元振动能量，从而在亚波长低频范围内阻断弹性波传播。布拉格散射在宽频上表现优异，而局域共振更适合低频减振，它们的结合使超材料可以在宽频段内实现低频的抑制。

在汽车内，超材料通过吸声特性阻挡外部的噪音，让驾驶更加舒适；而在建筑中，超材料的减振效果尤为突出，可以有效阻挡外部的噪音和振动，提高工作效率，让你更专注；在医疗设备中，超材料可减少噪声干扰，帮助医生获得更清晰的诊断环境；在潜艇和水下探测中，超材料还能实现声隐身，降低被声纳探测的概率；在桥梁和轨道交通中，研究人员利用超材料降低结构振动，提升安全性和耐久性。例如，通过在桥梁的关键部位集成了具有高阻尼特性的超材料，可有效吸收由列车通过产生的低频振动，确保乘坐体验的静谧性和平稳度，并降低桥梁的疲劳损伤。

未来，超材料可应用于可穿戴传感器，它们能精确调节传感器的响应，为可穿戴设备提供更加准确的生理数据，让设备更灵敏舒适。研究人员正在探索更复杂的结构，如五模超材料，它利用不同的共振模式来实现低频噪声的有效屏蔽，用于水下通信和隐身。随着技术的不断进步，超材料在未来的应用将越来越广泛，从智能建筑到医疗设备，它们将改变我们的生活方式，最终目标是让我们的城市更安静、更安全、更高效。