吸声材料新进展：同济大学团队揭示未来降噪新技术与应用前景

同济大学物理科学与工程学院声学研究所李勇教授团队在《科学通报》（Chinese Science Bulletin）发表综述论文“吸声材料新进展”，系统呈现吸声材料领域研究动态，以下为核心内容梳理。

一、吸声材料基本原理与分类

吸声材料借助空气 - 材料界面热传导 - 粘滞效应，将声波能量转化为其他形式能量实现“吸声”，材料结构特点和厚度决定声波与材料相互作用强弱，进而对吸声性能产生决定性影响。主要分两类：

（一）多孔吸声材料

以玻璃纤维材料（图1(a)扫描电子显微镜照片所示）、三聚氰胺泡沫材料（图1(b)扫描电子显微镜照片所示 ）、网状聚氨酯泡沫材料（图1(c)扫描电子显微镜照片所示 ）等为代表，结构疏松，内部密集微小孔洞极大程度增大与空气接触面积（图1(d)多孔材料吸声原理图呈现其吸声机制 ）。这类材料在中高频吸声性能优异，吸声谱（图1(e)厚度为100 mm的多孔材料吸声谱 ）可体现，广泛用于厅堂音质设计与噪声控制。但应对低频声波时，热传导 - 粘滞效应产生的损耗随频率降低迅速下降，且阻抗失配使大部分声能量被反射，同时因需达到声波波长四分之一左右厚度才有效吸收低频声波，在低频噪声控制中受限。

图1 多孔吸声材料。(a) 玻璃纤维材料的扫描电子显微镜照片；(b) 三聚氰胺泡沫材料的扫描电子显微镜照片；(c) 网状聚氨酯泡沫材料的扫描电子显微镜照片；(d) 多孔材料吸声原理图；(e) 厚度为100 mm的多孔材料吸声谱

（二）共振吸声结构

基于声学共振模式提升特定频率声能量密度，弥补多孔材料低频吸声短板。从单模式共振基元（如亥姆霍兹共振器、法布里 - 佩罗共振器等，图2(a)共振结构基元示意图展示不同基元形态 ），到多模式耦合共振结构（图2(b)耦合共振系统示意图呈现耦合原理 ），通过增强声能量密度，不断拓展低频吸声能力，为低频噪声治理提供新路径。

图2 (a) 共振结构基元示意图，从左到右分别为直通道法布里佩罗共振器、卷曲法布里佩罗共振器、亥姆霍兹共振器和串联亥姆霍兹共振器；(b) 耦合共振系统示意图

二、吸声材料研究新进展

（一）吸收型声学超材料

近二十年，吸收型声学超材料为低频吸声难题提供新解。通过人工设计共振基元调控声场，展现独特吸声性能：

1. 深亚波长吸声体

以薄膜型共振器、卷曲法布里佩罗共振器为基础，突破传统结构厚度限制。微穿孔板共振结构及其变形可实现一定带宽高效吸声（图3(a)-(c)微穿孔板吸声体及吸收谱相关图示 ），而深亚波长吸声体（图3(d)-(g)薄膜型、卷曲通道型等吸声体及吸收谱 ）更将低频吸收性能拓展至微穿孔板难以企及的范围，厚度仅为共振波长极小部分。

图3 单模式共振吸声材料。(a), (b) 微穿孔板吸声体及其吸收谱；(c) 常规和非常规形状的微穿孔板吸声体；(d) 非常规微穿孔板吸声体的吸收谱；(e) 薄膜型吸声体及其吸收谱；(f) 卷曲通道型吸声体及其吸收谱；(g) 四个厚度相同的内插管式亥姆霍兹共振器及其吸收谱

2. 耦合共振结构

基于单模式共振基元发展而来，凭借多重自由度，实现低频吸收与带宽拓展。如三层微穿孔板吸声体（图4(a)三层微穿孔板吸声体的吸收谱 ）、含16个卷曲通道的耦合共振吸声体（图4(d)-(e)其结构及近场特征、吸声谱 ）等，适配复杂噪音环境应用需求，展现传统吸声材料不具备的低频、宽带性能。

图4 耦合共振吸声材料。(a) 三层微穿孔板吸声体的吸收谱；(b), (c) 二次余项施罗德散射体及其吸收谱；(d), (e) 由16个卷曲通道构成的耦合共振吸声体及其近场特征；(f) 图(d)中耦合共振结构的吸声谱；(g) 由卷曲通道和微穿孔板构成的耦合共振结构；(h) 图(g)中耦合共振结构的吸声谱；(i) 基元间的耦合效应对吸声性能的提升；(j) 由36个串联内插管式亥姆霍兹共振器构成的耦合共振吸声体；(k) 图(j)中结构的共振模式的相对带宽；(l) 图(j)中结构的吸收谱

（二）多功能吸声器件

耦合共振吸声材料推动多功能吸声器件研发，借助特殊结构设计（图5多功能吸声器件相关图示 ），具备多元创新功能：

通风隔声：如通风隔声窗（图5(a)通风隔声窗示意图及其能量透射谱 ），兼顾高效隔声与通风需求，突破传统隔声窗局限。

多功能超结构有效耗散能量：部分多功能超结构（图5(b)-(c)多功能超结构应力 - 应变曲线等 ）受压缩时，可有效耗散能量，融合吸声与结构力学特性。

声学束缚态构建：通过构建声学准连续谱中的束缚态（图5(d)-(e)两腔耦合结构、手性连续谱相关吸声谱及散射奇异点），精准调控声波，支撑特殊声学环境设计。

图5 多功能吸声器件。(a) 通风隔声窗示意图及其能量透射谱；(b) 一种多功能超结构的吸收谱；(c) 在准静态单轴压缩下，多功能超结构和一种蜂窝结构的应力-应变曲线；(d) 一种两腔耦合结构的吸收谱（绿色），蓝色和红色线代表单个腔的吸收系数；(e) 手性连续谱中的准束缚态诱发的散射奇异点以及手性吸声现象；(f) 一种超构消声器的传输损失谱

（三）超构声衬  

在新型声衬技术研制中，吸声超材料展现巨大潜力。超构声衬本质为多重自由度耦合共振结构（图6超构声衬相关图示 ），相较传统蜂窝穿孔板声衬，具备低频宽带降噪优势，在航空发动机等高速气流环境降噪应用中表现突出。不同流速实验数据（图6(b)不同掠过流流速下声压幅值分布、图6(c)(f)(i)不同流速下传输损失谱 ）表明，超构声衬可在复杂流场维持优异吸声性能，助力飞机降噪、工业管道消声等领域技术革新。

图6 超构声衬。(a) 基于内插管式亥姆霍兹共振器的超构声衬剖面图；(b) 不同掠过流流速下，侧壁带有超构声衬的流管内部的声压幅值分布；(c) 掠过流流速为60m/s时，超构声衬的传输损失谱；(d) 由穿孔板、卷曲通道和直通道构成的超构声衬基元；(e) 安装在流管内的一种超构声衬示意图；(f) 掠过流流速为98m/s时，超构声衬的吸收谱和传输损失谱；(g) 一种圆柱管道中的超构声衬；(h) 基于空气电离的主动型声衬；(i) 图(h)中主动控制型声衬的传输损失谱

三、未来展望

团队研究梳理吸声材料发展脉络，也为未来指明方向。伴随材料设计理念创新与制造技术进步，吸声材料将在多领域深化应用：

环境噪音治理：更轻薄、高效的吸声材料，有望助力城市噪音控制，优化人居环境。

终端装备降噪：航空、航天、舰船等领域，超构声衬等技术将推动设备噪音降低与性能提升。

特殊声学环境构建：消声室、录音棚等场景，新型吸声材料可实现更精准声学调控 。

本研究获国家自然科学基金等资助，彰显我国在吸声材料领域研究实力。随着技术成熟，期待为打造更安静、美好的声学环境持续赋能。

原文信息：

周志凌, 王能银, 陆彤玮, 丁华, 李勇*. 吸声材料新进展. 科学通报, 2025, 70(12): 1736–1749

doi: 10.1360/TB-2024-0532