本书主要介绍了声波传播的基本理论、多孔材料的声学特征参数及优化设计、生物质添加多孔材料的声学性能、微穿孔板吸声理论及优化设计、仿生耦合结构的声学性能、超材料耦合多孔材料的声学性能、超材料耦合微穿孔板的声学性能以及基于粒子群优化算法的声学超材料优化设计。 本书着重对基础理论、先进技术和未来发展趋势进行探讨，不仅为声学、材料科学及工程技术领域的研究者和工程师提供参考，还对声学超材料领域感兴趣的学者和爱好者具有一定的启发作用。

前言 自然界中声音无处不在，它不仅是沟通的媒介，也蕴含艺术的韵味。然而，在特定环境下声音的传播可能会造成干扰，甚至引发危害。从繁忙的城市交通、喧闹的工业场所，到对静谧环境要求极高的科研实验室，如何有效管理声音的传播已成为迫切需要解决的问题。因此，一种能够对声波进行操控的新型材料 声学超材料应运而生。其凭借独特的微观结构和卓越的性能，为声学领域带来了革命性的变革。 声学超材料的研究不仅促进了声学科学的进步，也为建筑声学、环境噪声控制、航空航天、汽车工业等多个领域提供了创新的解决策略。通过精心设计材料的结构，研究人员能够实现对声波的多种操控，如频率选择性吸声、宽频带吸声以及高效吸声等。 作者团队长期致力于多孔材料、亥姆霍兹共振腔及声学超材料领域的研究工作，对从传统吸声材料到新型吸声超材料进行了深入研究。本书作者在声学领域拥有扎实的学术背景，曾经在法国里昂中央理工学院（Ecole Centrale de Lyon）进行博士生联合培养。目前，担任国际高水平期刊《仿生前沿》（Advanced Bionics）和《仿生工程学报》（Journal of Bionic Engineering）首届青年编委。作者的学术经历和研究背景为本书内容的丰富性和多样性提供了有力支撑。 本书包含八章内容，分别为声波传播的基本理论，多孔材料的声学特征参数及优化设计，生物质添加多孔材料的声学性能，微穿孔板吸声理论及优化设计，仿生耦合结构的声学性能，超材料耦合多孔材料的声学性能，超材料耦合微穿孔板的声学性能以及基于粒子群优化算法的声学超材料优化设计。 作者先后承担的国家自然科学基金面上项目（项目号：52175264）、国家自然科学基金青年基金项目（项目号：51705033）、吉林省科技厅重点研发项目（项目号：20220201054GX）、吉林省科技厅中央引导项目（项目号：202002042JC）等 9 项省级以上课题，使得本书研究工作顺利进行。本书的完成得到了国家自然科学基金项目的资助，特此表示感谢。 本书着重于基础理论、先进技术和未来发展趋势的探讨，旨在为声学、材料科学以及工程技术领域的研究者和工程师提供参考，并对声学超材料领域感兴趣的学者和爱好者具有一定的启发作用。我们衷心期望本书能够对我国声学超材料技术的研究与进步产生积极影响。 在编写本书的过程中广泛参阅了众多文献和研究成果，并汲取了众多同行专家的宝贵建议，课题组的郭文博、王永胜、曹洪亮、胡展鹏、赵雪燕、徐鑫、杨智晟、张涣宇等，以及跨尺度微纳制造教育部重点实验室的教师和学生也给予了极大帮助，在此一并表示诚挚的谢意。 鉴于作者的学术水平有限，书中可能存在疏漏和不妥之处，我们诚恳地期待读者提出宝贵意见和建议。 王永华2025 年 1 月

目录

第 1 章 声波传播的基本理论

1.1 引言

1.2 噪声控制的一般方法

1.2.1 降低声源噪声

1.2.2 对接收点进行防护

1.2.3 在传播途径上控制噪声

1.3 声速和声传播基本方程

1.3.1 平面声波

1.3.2 振动速度与声压的关系

1.3.3 振动速度与密度变化的关系及声速公式

1.3.4 波动方程

1.4 声波在刚性壁管道中的传播及声阻抗

1.4.1 管道中声的反射

1.4.2 声阻抗

1.4.3 声压反射系数与声阻抗的关系

1.5 声学性能的测量方法

1.5.1 驻波比法

1.5.2 传递函数法

1.5.3 混响室法

1.5.4 现场测量技术

1.6 声学材料研究现状分析

参考文献

第 2 章 多孔材料的声学特征参数及优化设计

2.1 引言

2.2 基本特征

2.3 多孔材料特征模型的发展

2.3.1 经验模型

2.3.2 等效流体的现象模型

2.4 法向入射时流体中的声阻抗

2.4.1 无界流体中的平面波

2.4.2 法向入射阻抗

2.4.3 法向入射时的反射系数和吸声系数

2.5 多孔材料吸声体的参数影响

2.5.1 流阻率的影响

2.5.2 孔隙率的影响

2.5.3 板厚的影响

2.5.4 曲率的影响

2.6 多孔材料吸声体的优化设计

2.6.1 标准遗传算法

2.6.2 多种群遗传算法

2.6.3 单层多孔材料优化

2.7 本章小结

参考文献

第 3 章 生物质添加多孔材料的声学性能

3.1 引言

3.2 基材选择

3.3 复合材料的制备

3.3.1 填料的选择

3.3.2 聚氨酯复合材料的制备

3.4 表面形态及孔径分布

3.4.1 孔细胞形态

3.4.2 孔细胞分布及孔径

3.5 声学性能测试

3.5.1 声阻抗

3.5.2 吸声系数

3.6 声学特征参数测试

3.6.1 试验原理

3.6.2 特征参数的确定方法

3.6.3 试验结果和讨论

3.7 吸声机理

3.8 本章小结

参考文献

第 4 章 微穿孔板吸声理论及优化设计

4.1 引言

4.2 微穿孔板吸声结构

4.2.1 孔内效应

4.2.2 末端效应

4.2.3 孔间相互作用

4.2.4 吸声结构整体声阻抗

4.3 基本声学元件的声阻抗

4.3.1 声阻抗率和声阻抗

4.3.2 基本声学元件的声阻抗

4.3.3 微穿孔吸声体的马氏理论模型

4.4 微穿孔板吸声结构的参数影响

4.4.1 板厚的影响

4.4.2 孔径的影响

4.4.3 穿孔率的影响

4.4.4 板后空腔深度的影响

4.4.5 穿孔肋板耦合微穿孔板对吸声性能的影响

4.5 单层微穿孔板的优化设计

4.6 双层微穿孔板的优化设计

4.6.1 双层微穿孔板吸声结构模型

4.6.2 双层微穿孔板优化设计

4.7 多孔材料复合微穿孔板双层吸声体的优化设计

4.7.1 多孔材料复合微穿孔板双层吸声体模型

4.7.2 多孔材料复合微穿孔板双层吸声体优化设计

4.8 本章小结

参考文献

第 5 章 仿生耦合结构的声学性能

5.1 引言

5.2 长耳鸮皮肤和覆羽的耦合吸声性能

5.3 不同表面模型的吸声性能

5.3.1 仿生模型建立

5.3.2 数值模拟方法

5.3.3 计算结果与分析

5.4 仿生耦合多层模型的吸声性能

5.4.1 仿生耦合模型建立

5.4.2 吸声性能的计算方法

5.4.3 仿生模型吸声性能

5.4.4 仿生模型各层的参数优化

5.5 仿生耦合吸声结构的应用

5.5.1 模态分析理论

5.5.2 滑舱声场有限元模型建立

5.5.3 滑舱的声学模态分析

5.6 本章小结

参考文献

第 6 章 超材料耦合多孔材料的声学性能

6.1 引言

6.2 声学超材料研究背景

6.2.1 声学超材料的定义

6.2.2 声学超材料的发展方向

6.3 卷曲空间耦合多孔材料复合吸声体

6.3.1 复合吸声体设计及模型建立

6.3.2 卷曲空间结构参数对其吸声性能的影响

6.3.3 宽频吸声超材料的设计及能量耗散

6.3.4 样件制造及试验测试

6.4 共振腔盘绕阶梯空间耦合多孔材料吸声体的声学性能

6.4.1 复合吸声体设计及模型建立

6.4.2 盘绕阶梯空间结构参数对其吸声性能的影响

6.4.3 宽频吸声超材料的设计及能量耗散

6.4.4 样件制造及试验测试

6.5 本章小结

参考文献

第 7 章 超材料耦合微穿孔板的声学性能

7.1 引言

7.2 卷曲空间耦合微穿孔板复合吸声体

7.2.1 复合吸声体设计及模型建立

7.2.2 卷曲空间结构参数对吸声性能的影响

7.2.3 多单元耦合结构的声学性能

7.2.4 样件制造及试验测试

7.3 分层盘绕通道耦合微穿孔板复合吸声体

7.3.1 复合吸声体设计及模型建立

7.3.2 分层盘绕通道结构参数对吸声性能的影响

7.3.3 宽频吸声超材料的设计及能量耗散

7.3.4 样件制造及试验测试

7.4 本章小结

参考文献

第 8 章 基于粒子群优化算法的声学超材料优化设计

8.1 引言

8.2 粒子群优化算法简介

8.3 粒子群优化算法流程

8.3.1 参数设置

8.3.2 算法的数学描述

8.3.3 算法流程

8.4 连续变截面盘绕通道耦合结构优化设计

8.5 宽带耦合结构设计

8.6 本章小结

参考文献