声学-力学多功能结构的解耦设计与可编程按需调控方法及其工程应用

为解决传统声学/力学超材料在低频吸声(<1000 Hz)与承载性能间的矛盾问题，研究人员提出解耦设计方法（分离设计气/固域与材料）与可编程按需调控策略，通过折叠腔体赫姆霍兹谐振器(Helmholtz resonator)与蜂窝结构的协同设计，实现50-1600 Hz频段可调吸声(α>0.5)及5倍比吸能提升，采用PA/TPU材料分别优化承载与回弹性能，为航空航天等领域提供多功能结构解决方案。

　　

在工程领域，声学超材料(acoustic metamaterials)和力学超材料(mechanical metamaterials)各自展现出独特优势，但如何实现二者的多功能集成一直是棘手难题。传统赫姆霍兹谐振器虽能通过局部共振(local resonance)实现低频吸声，但其刚性结构往往牺牲了机械性能；而具有负泊松比(auxetic)特性的力学超材料虽具备优异能量吸收能力，却难以兼顾宽频声学调控。更关键的是，当频率低于1000 Hz时，声波因波长较长难以被常规多孔材料或微穿孔板有效衰减，这成为航空航天、船舶制造等领域噪声控制的瓶颈。

针对这些挑战，国内研究团队在《Applied Materials Today》发表研究，提出"解耦设计+可编程调控"的创新框架。通过分离设计气体域(gas domains)、固体域(solid domains)和材料系统，结合深度神经网络(DNN)辅助的参数逆向设计，成功开发出兼具低频宽带吸声(100-800 Hz, α>0.5)、高承载和可重复加载能力的多功能结构。该结构巧妙融合折叠腔体(folded cavities)的声学优势与蜂窝结构的力学特性，并战略性地选用塑料尼龙(PA)和热塑性聚氨酯(TPU)实现性能优化。

研究主要采用三项关键技术：1）基于阻抗匹配理论(impedance matching method)和传递矩阵法(transfer matrix method)建立声学模型；2）通过机械压缩实验评估结构承载与能量吸收特性；3）应用DNN实现从性能指标到结构参数的逆向映射。

【声吸收性能】章节揭示，通过串联/并联布置L1-L4折叠腔体，可将等效腔体长度延长至传统结构的4.8倍，使吸声峰向低频移动达47%。当孔径与腔长满足δ_h/L_c≈0.15时，在300-600 Hz频段形成连续吸声带。

【声吸收机制】部分证实，多孔材料与谐振腔的级联设计能填补赫姆霍兹谐振器的吸声谷值，使整体吸声系数在100-1600 Hz范围内提升62%。TPU基材的粘弹性耗散使结构在10次循环加载后回弹率仍保持98.7%。

【结论】指出，该研究突破性地实现五大创新：1）首创气/固/材三域解耦设计范式；2）PA结构使比吸能(SEA)提升至传统材料的5倍；3）TPU基体实现近100%弹性恢复；4）DNN将设计周期缩短80%；5）折叠腔体使低频吸声带宽扩展3.2倍。这些成果为运载工具舱体、精密仪器隔振等场景提供革命性解决方案，特别在卫星整流罩等兼具减重、降噪和抗冲击需求的场景展现巨大潜力。

研究同时指出，未来可通过引入主动控制元件(如压电材料)进一步实现声学性能的动态调控。该工作为多功能超材料设计树立了新范式，其"性能导向-参数逆向"的设计哲学对智能材料开发具有普适指导意义。