聲學材料的一個世紀

六、南京大學在聲學材料領域的研究

題記：

星星之火，可以燎原

——出自《尚書·盤庚上》

我校是我國最早開設聲學課程與聲學專業本科教育的大學。1954年，魏榮爵院士在南京大學物理系創辦了聲學專業，建立國內首個聲學教研室。2009年12月30日，學校根據學科劃分的原則在原有的物理學系、電子科學與工程系和材料科學與工程系的基礎上，新組建成立了物理學院、電子科學與工程學院、現代工程與應用科學學院。其中，物理學院聲學專業是全國唯一的聲學本科研究型人才培養基地，並建設有「近代聲學教育部重點實驗室」。現代工程與應用科學學院，經過21世紀初近20年的發展，在聲學材料領域也逐漸培育起了以凝聚態物理為基礎的聲學超構材料專業方向。

同時聲學作為一門多學科交叉的學科，也吸引了很多不同技術方向的研究力量。在多學科交叉領域，南京大學固體微結構物理國家重點實驗室從凝聚態物理、量子材料等前沿視角出發，發展了獨具特色的聲子晶體、聲學超構材料技術。實驗室的研究成果「聲子晶體等人工帶隙材料的設計、製備和若干新效應的研究」榮獲2015年度國家自然科學二等獎。該項目發現了聲子晶體等人工帶隙材料中的新效應並研製了一系列新材料和原型器件：發現了聲波在聲子晶體中負折射和雙負折射的新規律，被評為中國基礎研究十大新聞；提出「波矢躍遷」新原理並實現了聲波二極體。《科學》等雜誌對此做了亮點評述；發現了聲波異常透射效應及聲表面倏逝波，拓展了聲波亞波長材料與器件的研究領域。這些發現在這個領域產生了重要影響，為聲功能材料與器件的發展提供了新的思路。

其中，拓撲態是近年來凝聚態物理研究的熱點問題，三維體系中光/聲拓撲態引人注目，其潛在的優勢是提供一個二維拓撲表面用於操控光/聲的傳輸，實現一些如折射、成像等一維波導無法實現的拓撲現象和功能。在空氣聲學拓撲絕緣態研究中的挑戰源於其自旋為零的縱波特性，其解決的途徑之一是利用人工微結構的空間對稱性為聲構造一對人工自旋。儘管在二維體系中已有多種成功的設計，但並不能通過直接堆疊二維聲拓撲絕緣體的方式實現三維。這是因為維度的擴展會帶來額外的層間耦合，在很大程度上會破壞原來基於二維對稱性的聲人工自旋。

而其能帶結構的拓撲性質使其邊界態具有「背散射抑制」的傳輸特性。該邊界態因為受到拓撲對稱性保護而具有魯棒特性，可以免疫各種不同的缺陷（及轉角）和雜質，保證了傳輸具有新的空間傳播自由度和近乎為零的散射損耗。在前期二維聲/光學拓撲態的研究基礎上，固體微結構物理國家重點實驗室的研究人員又將聲學拓撲態從二維推廣到三維體系。

圖22.三維拓撲聲子晶體單向傳輸特性

研究組利用聲學微腔構造了由雙層六角晶格堆砌而成的三維聲子晶體，實現了空氣縱聲波的贗自旋以及贗自旋-能谷耦合表面態。實驗測量表明：這種三維拓撲聲子晶體具有強背散射抑制的界面傳輸特性，彎折缺陷對透射率的影響很小。這種拓撲傳輸在整個二維界面內均可實現；此類構型也可用於表面態濾波，用於實現表面慢聲傳輸以及高品質因子的表面聲學微腔。

在此基礎上，研究團隊進一步發展了利用打開雜化聲狄拉克點簡併來實現三維聲拓撲絕緣態的新機制。一般情況下，三維體系中的狄拉克點或外爾點沿任意方向均呈線性色散。本文考慮的卻是一種具有方向性線性色散的簡併點，通過破缺特定對稱性，可打開該簡併形成拓撲帶隙。在其帶隙中實現具有方向性色散的二維聲拓撲表面態。

實驗上，研究團隊精確選擇結構參數並通過3D列印技術製備了三維拓撲聲子晶體（圖二十三(a)）。通過實驗測量二維聲拓撲表面態的方向性透射譜（圖二十三(b-d)），證實了其沿正z方向的無能隙特性。而隨著入射角度的變大，其拓撲表面態也會逐漸打開帶隙。此外，還通過掃描沿z向半開放邊界的聲場分布，經過傅立葉變換得到了kz的表面色散，從而證實了存在類狄拉克二維表面色散。

聲學拓撲態，這一前沿領域的重要性在於：1）在三維聲學體系中，提出並實現了一種全新的具有方向性色散的拓撲聲表面態，意味著聲學拓撲體系不僅可作為驗證已發現拓撲材料的平臺，還可用於研究和探索新型拓撲現象，以加深人們對拓撲物理本質的認識。2）對聲學拓撲表面色散的操控有望用於開發一些諸如方向性慢聲，基於二維聲學拓撲表面的聲傳感等獨特的應用。

南京大學的聲學研究，經歷了60餘年的發展，已經形成了視野廣闊、前沿多樣、尖端突出的發展特點，是國內為數不多的物理聲學專業研究團隊。在聲學材料方向，尤其是拓撲聲學、聲學超構材料等前沿方向，特色鮮明，獨樹一幟。相關領域的研究也正在由前沿基礎科學研究，向實用化、工程應用方向逐步展開。

圖23.(a) 聲學樣品示意圖。左下:俯視放大圖；右下：側視放大圖；(b) 實驗設置圖：用於測量二維聲學表面態的方向性色散；(c) 三張聲表面態色散切片圖，分別對應角度0，arctan(0.5a/8h)和arctan(a/8h)。(d)不同方向聲透射譜的實驗測量結果。其中，紅、青、藍分別對應切片1-3。(e) 實驗設置圖，用於測量z向聲表面色散。(f) ky=0時的聲表面態色散切片。(g) z向聲表面色散實驗測量圖

七、聲學材料的未來展望

題記：

不積小流，無以成江海

——出自《荀子·勸學》

本文中我們首先從能量守恆的視角簡要介紹了聲學材料的基本現象與原理，然後對對工程中常見的傳統聲學材料和相關的最新成果進行了簡述，最後簡單分析介紹了聲學材料研究和設計的基本原理與基本方法。圍繞聲學材料進行科學知識的普及，希望對讀者有所啟發。

而聲學材料及其相關的新材料、新設計、新工藝將會在新基建浪潮中發揮巨大的作用。以「新」字為題眼，結合本文中所提及的內容，作者也希望對聲學材料，尤其是面向新時代的聲學治理材料提出一些概括性的未來展望。

多功能聲學材料

聲學材料，從原理上講是將彈性波的機械能轉化為介質的內能，以此來消耗和減弱聲波。熱力學原理主導了中高頻段的吸聲原理。因此聲學材料從某種意義上講都可以視作一種不錯的絕熱材料，也就是說聲學材料從發展以來就是一種複合功能的材料。那麼沿著這一思路，我們可以展望，未來的聲學材料在絕熱功能之外，可以會複合更多的實用功能。例如，聲學材料複合以疏水疏油的表面材料，使其具備良好的抗汙功能；結合光觸媒材料，複合甲醛降解功能；附加骨架和超結構，使其具備良好力學性能，可以獨立構成輕質隔牆，不一而足。發展多功能聲學材料，應當是未來聲學材料工程技術研究的一個要點之一。

極端性能聲學材料

聲學材料，目前主要工作頻段在1000Hz以上的中高頻段，而且其理論設計性能只能在低流速（0-10米每秒）、20攝氏度上下和一個大氣壓環境下才能起效。雖然這些條件，已經完全覆蓋了人類生存的主要環境條件。但是面對越來越複雜的大機器大工業和新基建新工業的近期未來，一般環境條件下工作的聲學材料已經逐漸無法適應新歷史時期的發展要求。極端工況下如低頻（100-1000Hz）、超低頻（0-100Hz）、高流速（0.5-1Ma）、高低溫（200攝氏度以上、0攝氏度以下）、高低壓（大於2-3atm、小於0.3atm）等環境條件下的聲學材料性能，難以僅僅依靠傳統材料來有效實現。發展面向極端性能、且經濟適用的聲學超構材料，是當下以及未來十到二十年聲學材料基礎科學研究的重大方向。

人工智慧+聲學材料

聲學材料設計，主要還是先試製後驗證的依靠工程經驗的傳統手工模式，多孔介質模型的半唯象性更是進一步固化了這一研發模式。另一方面，微宏法及其相關的算法，十分依賴計算能力，在他們被提出的70年代被認為是不可能完成的海量計算任務。幸運的是，依靠新時期發展起來的超級計算、雲計算等高速計算技術，我們已經能夠對聲學材料內部微結構進行比較精細化的模擬仿真，實現足夠的經驗數據積累。在此多孔材料大數據基礎上，希望有一天能夠通過機器學習和人工智慧的算法，突破傳統半唯象模型的限制，真正實現聲學材料從微結構到生產製備工藝的全鏈路正向設計。

網際網路+聲學材料

前面提到的主要是聲學材料研究方向上的展望，在聲學材料應用方向，以物聯網為核心的新一代網際網路技術也可以與聲學材料的應用融合發展新的技術。設想在城市中建設一個分布廣泛的環境噪聲監測網絡，將其與智慧城市系統中的交通、供電、氣象等相關子系統深度融合，打造一套城市聲環境綜合監測系統，並在此之上打造都市聲學大數據系統。依靠這些數據，我們就能夠分析噪聲在時域、頻域、區域、模式等多維度上的分布，集合交通和人口數據，可以為新都市建設提供聲學環境治理方案，提出經濟適用的聲學材料選型。在積累同類城市數據的基礎上，可以對聲學材料市場進行預測，分析出什麼樣類型的材料適合未來市場需求，市場需求量有多大，對聲學材料的生產給出指導性的意見。

聯繫當年中國特色社會主義發展的新時期和新形勢，作者認為聲學工程技術的研究對提升現代高密度城市的宜居性和提高各類交通工具乘坐舒適性，都有著巨大的推動作用。這其中聲學材料作為重要的核心技術，具有相當的普適性和普惠性。

聲學材料，未來可期

參考書籍

[1] Strutt J W, Rayleigh B. The theory of sound[M]. Dover, 1945.

[2] Zwikker C, Kosten C W. Sound absorbing materials[M]. Elsevier, 1949.

[3] Ingard U. Noise reduction analysis[M]. Jones & Bartlett Publishers, 2009.

[4] Morse P M C, Ingard K U. Theoretical acoustics[M]. Princeton university press, 1986.

[5] Allard J, Atalla N. Propagation of sound in porous media: modelling sound absorbing materials 2e[M]. John Wiley & Sons, 2009.

[6] Deymier. Acoustic Metamaterials and Phononic Crystals[M], Springer,2013.

[7] José Sánchez Dehesa, Vicente Cutanda Henríquez. Visco-thermal Effects in Acoustic Metamaterials Based on Local Resonances[M], John Wiley & Sons 2019.

感謝現代工程與應用科學學院黃唯純博士、解龍翔博士、盧明輝教授供稿。

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