近期，金沙威尼斯董浩文副教授课题组在水声超表面隐身方面取得新进展。相关成果以“Porous-Solid Metaconverters for Broadband Underwater Sound Absorption and Insulation”为题，在Physical Review Applied上发表[Phys. Rev. Appl. 19, 044074, 2023]，被选为“Featured in Physics”（物理亮点），并被Physics以“Metamaterial Provides Underwater Stealth”专题报道。金沙威尼斯董浩文副教授（一作）、青岛大学赵胜东副教授和金沙威尼斯士为论文的共同通讯作者，天津大学汪越胜教授、香港理工大学成利院士、德国锡根大学张传增院士、中船系统工程研究院向平研究员、中船725所王兵研究员也参与了该工作。研究获得了国家自然科学基金原创探索计划项目（52250217）的资助。
近十年来，随着声呐技术的快速发展，新一代主动和被动声呐可实现低频、宽带、高精度、远距离探测。因此，水下装备声学覆盖层技术亟需向低频、宽带发展。传统水下吸声材料，通过阻尼耗散、压电式主动耗散、散射、共振等机制，可实现对入射声波的高效吸收；而水下隔声材料通过结构与水之间的阻抗失配，可以隔绝声波向外传播。
然而，传统的水下吸声材料依面临难题，主要表现在低频声波调控能力差、无法实现宽低频的高效吸声和高效隔声。虽然水声超结构在低频吸声和减振降噪方面已展现出一定潜力,但仍存在诸如窄带、小平面尺度、覆盖层厚重以及功能单一等各类问题。现有的声学覆盖层技术已遇到瓶颈，亟待水下声隐身机理和结构设计的突破。
在方岱宁院士先进结构技术学术思想的启发下，针对水下轻薄型宽带吸隔声一体化的挑战，研究团队首次提出了“水声变模超表面”（Underwater acoustic metaconverters）的新概念,建立了由橡胶层与弹性超结构组成的水声变模超表面之弹性波散射理论，详细讨论了超表面模型中纵波-横波模式转换机理，构建了统一、定制化水声变模超表面的拓扑优化设计模型，构造了一种具有强各向异性的水声变模超表面；通过融合多次透射与反射型纵波-横波模式转换效应，再结合橡胶层对弹性波的耗散特性，可以在宽频内同时实现对两个方向入射声波的高效吸收与隔离，从而获得宽带高效吸隔声一体化功能，且整个结构的表观密度（950 kg/m3）小于水,厚度仅为4 cm（见图1）。
图1 水声变模超表面的吸隔声一体化功能
为验证所提概念与水声结构的正确性，研究人员通过金属线切割方法制备出弹性超结构层，将其与制备的橡胶层集成为双层水声变模超表面样件，在水压罐中进行了详细的频域与时域声学特性测试、表征与评价（见图2）。结果表明，这种超薄的水声结构可在[2kHz,10kHz]内同时实现高于80%的高效吸声、高于20 dB的高效隔声功能。虽然橡胶材料的动态参数与理论值有一定差异，且三维的结构在水中会显著增强有限边界的耦合效应，但这种水声变模超表面可以很好地实现与理论预测接近的吸隔声一体化功能。可见，该系统具有稳定可靠的水声波控功能，显著降低了高分子材料的定制化加工难度。
图2 水声变模超表面样件及其频域与时域测试结果
本研究成果将为宽低频声隐身技术提供新的吸/隔声策略和设计范式，为宽低频、超薄、轻质、多功能的新型水下吸隔声材料/结构奠定重要理论和结构基础。
论文链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.19.044074
专题报道链接：https://physics.aps.org/articles/v16/s63
附报道截图：
