在元屏障中利用法向-剪切耦合实现深亚波长水下噪声控制

为什么海洋安静很重要

随着离岸风电场增多、海运繁忙以及军事和工业活动扩大，人为产生的海洋噪声在不断增强。许多海洋动物像我们依赖视觉一样依赖声音，用它来觅食、交流和导航。本文探讨了一种新型超薄水下墙体，称为元屏障，它能在占用极小空间的情况下阻挡宽频带的低频噪声，为更好地保护海洋生物提供了一种可能的途径。

现有水下噪声屏障的局限性

现有的水下噪声控制手段通常体积庞大、阻隔频带窄或难以在海上部署。部分方案使用充有微空腔或谐振腔的软塑料吸收声能，但这些材料往往只在中高频段有效，在对海洋哺乳动物危害最大的低频段效果较差。另一些方案试图用刚性外壳或气泡帘反射声波，这可能需要大型结构、能量输入并且对气泡尺寸控制敏感。这些系统在约1千赫以下表现尤为薄弱，而这正是许多工业噪声最强的频段，并且它们容易被压力变化和洋流扰动所影响。

在薄壁内“欺骗”声波的新方法

作者提出了一种基于构架化材料的全新策略，这类材料由重复的微尺度结构单元组成。与依赖众多独立谐振器的方法不同，他们设计了一个重复单元，其内部几何形状促使固体内部的法向挤压运动与横向剪切运动发生强烈相互作用。这种法向–剪切耦合可由一个无量纲数值来表征，当耦合非常强时该数值接近一。通过精心塑造单元，使该参数接近其上限，屏障会使水中的入射压力波激发出复杂的混合运动，而这些运动并不能有效地将声音传递穿过材料。

从头设计元屏障

为找到高效的几何形状，研究者使用了拓扑优化，这是一种数值搜索方法，通过在小方形单元内部增减材料来最大化目标属性。在此处，目标是法向–剪切耦合的强度，搜索在静态极限下进行，这意味着他们只需要固体的有效弹性性质，而不需要考虑水的声学行为。一旦确定了用常见可3D打印塑料构成的有前景布局，他们对形状进行平滑处理，并分析一系列单元中波的传播情况。色散图显示，尽管设计是在零频处优化的，但它在宽带可听的水下频率范围内仍会产生纵向与横向混合的运动。

薄壁阻挡水下声音的效果如何

当将元屏障浸入水中进行数值模拟时，结果显示在宽频带内存在强烈的声透射损失。单个10毫米厚的单元在约2千赫附近可达到约29分贝的损失，而该厚度约为声在水中波长的七十分之一。将三个单元叠加形成30毫米的屏障，峰值可接近90分贝，且整体厚度仍远小于声波波长。在1千赫以下，屏障仍能维持约20到30分贝的有用衰减。作者还研究了厚度、入射角以及如布拉格散射等高频效应存在时性能的变化，发现主要的低频行为由材料内部的工程耦合主导。

让它在真实海洋中更可行

真实的水下屏障必须能在深水处承受强静水压而不产生过大变形或性能下降。团队通过在三单元墙体两侧加薄固体包层并施加相当于50米水深的静水压来进行数值测试。这些包层大幅降低了峰值应力，同时仅略微改变了屏障最佳工作的频率位置。随后他们将单元弯曲成环绕点状噪声源的圆环，并对带有吸能边界的方形海域进行模拟。在此情形下，元屏障对中心频率为500赫兹的短脉冲将透射声能减少约98%，表明它有可能保护繁殖场或设备区等敏感区域。

对更安静海洋的意义

这项研究表明，通过定制材料内部不同运动形式之间的耦合，可以制造出非常薄的水下墙体，反射宽频带的低频噪声。与依赖笨重结构或需要能量的主动系统不同，这些被动元屏障仅依靠几何形状，就能在材料和水之间制造出极端的不匹配，将大部分声能反回源头。尽管仍需进一步工作在天然水域中测试全尺寸原型，但该方法指向了紧凑、鲁棒的噪声屏障，有望帮助降低人类活动在海洋中的声学足迹。

引用: Dal Poggetto, V.F., Miniaci, M. Harnessing normal-shear coupling in metabarriers for deep sub-wavelength underwater noise control. npj Acoust. 2, 20 (2026). https://doi.org/10.1038/s44384-026-00056-7

关键词: 水下噪声, 声学超材料, 声透射损失, 海洋生态系统, 元屏障设计