适用于电动垂直起降飞机（eVTOL）的声学超材料的选择

电动垂直起降 (eVTOL) 飞机代表着现代航空领域的前沿创新，有望改变未来的出行方式。在eVTOL的关键推进技术中，涵道涡扇发动机效率高、设计紧凑。然而，由于空间和重量的限制，控制涡扇噪音仍然是一项重大挑战。为了突破这一限制，研究人员开发了先进的声衬超材料构型，以最大限度地减少噪音排放，获得公众认可并满足认证标准。然而，纵观现有超材料设计构型，一个关键问题随之而来：哪种超材料最适合特定应用？以及如何针对特定场景筛选这些超材料？

此篇概述了被动声学超材料及其降噪效率。建立了一个数据库，用于分析文献中的超材料并将其分类为特定的子类。针对每个子类，研究人员设计和制造了各种超材料，并通过实验和数值研究评估了它们的声学特性。随后，将获得的属性纳入筛选矩阵。此项工作引入了一种普遍适用的筛选概念，生成了用于评估不同超材料适用性的分数分布，并以涵道涡扇和eVTOL内部座舱为例进行了说明。

城市空中交通 (UAM) 工具和全电动垂直起降 (eVTOL) 飞机的出现标志着城市航空未来发展的关键时刻，有望带来一种更清洁、更高效、更生态可持续的交通方式。这些技术有望通过减少对化石燃料的依赖、通过碳中和推进系统最大限度地减少环境足迹以及提高与传统飞机相比的能量密度性能，彻底改变城市交通。然而，在人口稠密的城市地区使用这些飞机会引发安全、噪音污染和公众接受度等方面的严峻挑战。有效管理这些问题对于eVTOL的广泛应用及其成功融入城市环境至关重要。

与传统飞机不同，eVTOL需要在垂直起降、悬停和巡航之间切换，由于每个飞行阶段激励频率的变化，这给声衬构型的集成带来了独特的挑战。传统飞机的发动机噪声为宽带噪声，源于燃烧过程中的压力波动；而eVTOL的噪声主要表现为非定常湍流载荷、流入湍流吸入和边界层湍流。两种情况下的涡扇噪声均源于风扇尾流与出口导叶相互作用，产生的音调噪声和宽带噪声是eVTOL噪声污染的主要来源。传统的涵道发动机吸声器，例如基于亥姆霍兹原理的复合夹层声衬，其设计针对特定的共振频率，从而产生窄带特性。鉴于eVTOL的高涵道比和不断变化的声学要求，传统声衬的适用性有限。声衬超材料构型利用亚波长结构，为降噪提供了一种替代解决方案。这些超材料由晶胞构成的周期性结构组成。它们利用负有效质量密度或负体积模量等现象来产生非常规的声学响应，例如声音重定向、隐形或增强吸收。

近年来，各种类型的超材料得到了发展，特别强调其设计和不同的物理现象。常规飞机的发动机区域采用各种超材料构型来降低噪声，包括吸收、超表面的异常反射、噪声捕获和散射抑制。应用于飞机舱内壁和其他内部区域的超材料主要利用吸声特性。在超材料设计中，主动控制类型和被动控制类型之间存在一个关键区别，两者都可进行优化以实现特定的物理效果。

此项研究重点关注被动超材料，迄今为止，被动超材料在不同的设计环境中均表现出优异的降噪性能。在所有现有的超材料设计中，问题出现了：哪种超材料最适合特定应用场景？如何对这些超材料进行筛选？据研究团队所知，文献中尚无针对特定应用场景选择最合适的声学超材料的筛选概念。本文提出了一种通用的筛选方法来解决此问题。本文以eVTOL发动机的涵道涡扇区域和机舱内部为例进行了分析。文中规定了被动超材料的评级标准，并根据其预期应用提供了评估指导。筛选矩阵会生成一个分数分布，用于评估每种超材料的适用性。

图文快览

两个亥姆霍兹共振器的吸声系数：实验值（蓝色）和数值值（橙色，虚线），以及它们对应的设计构型

两种盘绕空间结构的吸声系数：实验结构（蓝色）和数值结构（橙色，虚线），以及它们对应的设计构型

两种膜式结构的吸声系数：实验结构（蓝色）和解析结构（橙色虚线），以及它们对应的设计构型

两种混合结构的吸声系数：实验结构（蓝色）和数值结构（橙色，虚线），以及它们对应的设计构型

两种传统结构的吸声系数：实验结构（蓝色）和数值结构（橙色，虚线），以及它们对应的设计构型

标准列表及其相应的评分

图形表示样品的关键参数，该样品表现出两个不同的吸收峰。窄带效率区域（红色），宽带效率区域（绿色）

图示为沿着颈部开口宽度为W、高度为H且角度为a的壁面的切向流和偏流，显示了沿颈部开口的第一种流体动力学模式以及预期的边界层效应区域

成对比较矩阵显示基于行与列标准的相对重要性的分数

各个样本的概览、每个标准的评估分数及所应用的权重以及客舱应用的总分数

各个样品的概览、每个标准的评估分数及所应用的权重，以及涵道涡扇应用的总分数

对机舱（蓝色）和涵道涡扇（红色）的标准重要性进行加权和比较

总结

此项研究提出了一个通用的筛选方法，旨在根据各种超材料的设计和声学特性对其进行评估，重点关注潜在的eVTOL应用。对文献中现有的超材料及其子类进行分类，并分析每个子类的两种设计。进行实验测量，并进行数值和分析计算，以评估其声学性能。然后将收集到的数据集成到一个筛选矩阵中，得出一个分数分布，以帮助确定超材料是否适用于客舱内部和涵道风扇，因为每种应用都有不同的要求。由于其优异的标准特性，

此项研究发现膜型超材料在流动环境中具有巨大的应用潜力。研究确定，将亥姆霍兹共振器与盘绕空间设计相结合的结构最适合于不预期流动的客舱应用。然而，必须注意的是，设计规范主要影响筛选效果，而不是超材料的分类。值得一提的是，在评估单个超材料时仅关注吸声性能，因为此项将客舱本身视为系统边界。然而，为了更详细地分析涵道风扇发出的声能如何穿过舱壁对内部空间产生影响，建议扩展该概念以分析其他物理量，例如传输损耗、远场辐射声压级以及某些点的内部声压级值，但这超出了此项工作的讨论范围。未来的研究将分析流动环境中的膜型超材料，同时考虑其力学性能以及膜安装产生的边界层效应。为了增强筛选矩阵的实际适用性并拓展其评估潜力，还建议扩展该矩阵，以纳入机械效率、环境耐久性和可制造性标准。

原文来源：J. Acoust. Soc. Am. 158, 1451–1464 (2025)；Optimal passive metamaterial selection for electric-Vertical-Take-Off-and-Landing aircraft: A filtering concept

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