声学超材料在直升机减振降噪技术中的应用进展

直升机噪声主要来源于旋翼气动噪声、传动系统振动及发动机噪声，严重影响着飞行舒适性、战场生存能力和环境友好性。传统阻尼与隔声材料在轻量化与低频降噪方面存在局限，声学超材料（Acoustic Metamaterials）凭借其人工设计的特殊周期结构，可产生天然材料不具备的声波操控能力，为直升机减振降噪提供了突破性解决方案。

声学超材料通过精密的几何结构设计，形成对特定频段弹性波（声波）的“禁带”（带隙）。当声波频率落入禁带范围时，其传播将被显著抑制。主要实现路径包括：

1.1 布拉格散射型禁带：依赖周期结构的物理尺度（与目标波长相当），通过波在界面处的散射干涉抵消声能。

1.2 局域共振型禁带：通过附加谐振单元（质量块-弹性基体）产生低频局域共振，其频率由谐振单元等效质量与刚度决定，可在亚波长尺度实现低频控制。

2.1 周期性结构减振支杆

• 原理与设计：在连接主减速器与机舱顶板的支撑杆结构中，周期性排布阻抗差异显著的材料（如金属与高阻尼橡胶），或设计不连续几何单元（凸台、凹槽）。

• 降噪效果：

1）南京航空航天大学研制的双/多材料复合支杆，在500-2000 Hz频段（直升机主要噪声区）实现舱内振动噪声降低近30 dB（图1）。

图1  周期性结构减振支杆与传统支杆振动噪声对比

2）单材料周期支杆（图2）通过优化单元刚度与周期数，在相同频段实现12 dB以上加速度衰减（总衰减64%），虽带宽较窄但工艺更简。

图2  单材料周期性结构减振支杆结构

• 应用优势：直接阻断振动从噪声源（主减）向舱室的结构传递路径，工程适配性强。

• 挑战：多材料体系工艺复杂；动态载荷下长期稳定性需验证。

2.2 局域共振单元周期板结构

• 原理与设计：在舱壁或甲板等平板结构上，周期性地附加谐振单元（如质量块-橡胶基体）。单元谐振频率针对目标噪声设计。

图3  局域共振单元周期板典型结构及降噪能力

• 降噪效果：

1) 国防科学技术大学研究表明，此类周期板可在690-1500 Hz频段显著抑制振动位移响应，平均降噪10-15 dB。

2) 采用蜂窝夹层作为基础板，可进一步拓宽有效降噪频带。

• 应用优势：兼具承载与降噪功能；易于集成至机身蒙皮、隔板。

• 挑战：附加质量需严格控制；宽频设计需优化谐振单元分布与参数。

2.3 声学黑洞（Acoustic Black Hole, ABH）结构

• 原理与设计：利用幂律函数设计板结构厚度（如 h(x)=ϵxmh(x)=ϵxm，m≥2），使结构波速逐渐降低至理论零点，声波无法反射而被耗散。分嵌入式与附加式。

• 降噪效果：

1) 南京航空航天大学研究表明，优化设计的ABH结构可在不增加质量前提下，使舱室1/3倍频程平均噪声降低3-10 dB，低频性能优异。

• 应用优势：质量轻、带宽潜力大、设计灵活，尤其适合薄壁结构降噪。

• 挑战：实际制造中厚度难以渐变为零，需结合阻尼材料增强耗散；高频效果显著，直升机低频噪声（<1000 Hz）控制仍需突破。

3.1 优势：

• 低频高效：局域共振与ABH可针对直升机强噪声低频段（数百Hz）设计。

• 轻量化：亚波长特性允许小尺寸结构控制大 波长噪声，显著优于传统隔声层。

• 可定制化：禁带频率可通过结构参数（周期、单元质量/刚度、厚度变化率）精准调控。

3.2 挑战：

• 程化应用：现有研究多基于实验室样件，缺乏全尺寸直升机环境（复杂载荷、温度、空间约束）验证。

• 宽频带设计：单一结构难以覆盖直升机宽频噪声谱，需发展多级/耦合超材料设计。

• 工艺与成本：复杂周期结构（尤其多材料、微细单元）制造精度要求高，成本控制是关键。

4.1 多物理场耦合设计：结合压电、形状记忆合金等智能材料，开发主动/自适应声学超材料，实时调控禁带特性以匹配变化工况。

4.2 结构-功能深度一体化：将超材料单元直接嵌入复合材料机身主承力结构（如蜂窝夹芯、梁肋），实现减重、承载与降噪协同。

4.3 多尺度/多机制融合：融合布拉格散射、局域共振、ABH效应于单一结构，拓展降噪频宽与效能。

4.4 数字赋能：利用拓扑优化与机器学习加速高效轻量化超材料构型设计。

声学超材料通过人工结构创新突破物理限制，为直升机低频减振降噪提供了革命性路径。周期性支杆、局域共振板与声学黑洞等技术已展示显著实验室效果。未来亟需突破工程适配性、宽频设计与低成本制造瓶颈，推动其从实验室走向实际装机应用，助力打造更安静、更隐蔽的新一代直升机。