一种全新复合材料问世
合成的声学晶体能有效隔离低频噪音

刘继红

　　日前，华南理工大学的刘正猷博士在材料合成领域的研究获得一定突破，他近期内完成的关于高吸声复合材料的研究成果《具有局部共振的声学材料》论文于今年9月8日在美国《科学》杂志上，引起了积极反响。

　　刘正猷博士设计和制造出了一种全新的复合材料——声学晶体（Sonic Crystal），它能非常有效的隔离低频噪音。因为人耳能感受到的声音的频率在20赫兹到2000赫兹之间，在整个声音频谱上，这是一个很低的频率区间，令人难以忍受的噪音就在这个区间上。如何有效地隔离噪音，是一个长期以来一直困绕广大科技工作者问题。原因也很简单，因为在这个非常低的频率区间，声音的波长在一米到十米的数量级。传统物理学告诉我们，物体只有在其大小与波的波长大致相等时，才会对波有强的作用，迫使波反射或散射，改变传播方向。所以，传统的隔音材料都做得很厚、很重、较软（重和软可以减小声音在物体中的波长，较好地阻隔声音，这就是著名的质量定律），以满足这个客观要求。显然，传统的隔音材料非常不适用。

　　要解决这个难题，必须首先从理论和思想方法上进行突破。刘正猷博士带领课题组联想到金属能完全反射电磁波，类比金属完全反射电磁波的机制（PLASMON共振），在复合介质中引入弹性波和声波的微共振单元，经过精确的理论设计和计算，发现此想法切实可行后，立即在理论的指导下进行实验，结果实验一举成功。他们引入的微共振单元是一些包有橡皮的微小铅球，把它们周期性地分布在环氧树酯的基体中作成了我们所说的声学晶体。它能完全反射某一频段的声波。实验和理论都表明，这种声学晶体，其隔音效果比传统材料提高一到两个数量级。这种能被全反射的频带可通过改变微共振单元的大小和结构完全调控，如果在这种晶体中引入多种共振单元，可以大大增宽全反射频带，甚至可覆盖整个人类可感知的声频段。

　　此项研究成果的理论和思想方法是声学物理上的一个巨大突破，具有较大的科学意义和潜在的应用前景。刘正猷博士首次提出的声学晶体概念既是传统晶体概念的延伸，但又超越了传统的晶体的概念。就本质而言，微共振单元实际上就是一种人造“原子”，它具有量子化的“能级”，只不过它具有宏观尺寸。本工作的理论证明，原来看似只适用量子物理的一些理论和方法，同样可适用于经典物理。量子现象也不是量子领域所独有的，经典物理中同样存在量子化现象。这些现象，不管是量子领域的还是经典领域，都在波的概念上得到统一。他还首次提出了负的弹性常数的概念。声学晶体对声波的完全反射，对声波来说，如同这种晶体具有负的弹性常数。这个概念简单而又深刻的描述这种现象中的物理内含。声学晶体，或者说这种材料，由于其极佳的隔音功能，在环保和建筑工业，可望具有广泛的应用前景。正如许多传媒在其报道提及的，这种材料将首先在机场、公路及高速公路、娱乐场所等等这些您能想象到的产生噪声污染的场所得到应用。此项研究成果的后期工作将主要集中在如何使其产品化，最根本的是研究怎样使其与建筑材料结合起来，大约需要一到两年的时间。刘正猷博士现正在跟踪研究之中。

　　现正在加拿大进行科研合作研究的刘正猷博士，在文章发表后，受到了各界的关注。美国噪音污染处理委员会执行主席评价说：“控制噪音的最好方法在于控制噪音源”，“这种材料特别适合于用在产生噪音的机器上”。在英国《新科学家》的报道中，复合材料领域著名物理学家E. Economou和John H. Page等人也对此工作都给于高度评价。

摘自科学时报