近期，在ATZ汽车技术杂志与全球最大的、独立的汽车开发工程公司德国EDAG的访谈中，声学工程师Emanuele Merlo在接受采访时谈到了超材料在汽车NVH领域的应用潜力。
ATZ：Merlo先生，当超材料在1968年被发现时，其实它是一个相对年轻的学科。这是怎么发生的，这个术语是如何定义的？
Merlo：是的，超材料从20世纪初就开始研究，因此确实是一门年轻的学科。它们最初是为了控制或影响光和无线电波的传播而开发的。出于这个原因，俄罗斯物理学家Veselago（超材料的发明者）在具有负折射率的结构（例如金属丝网）中使用了介电材料的周期性排列。因此，超材料表现出在自然界的材料中没有观察到的特性。这正是为什么在它前面加上前缀“Meta”的原因，因为这些材料是在传统材料“之后”出现的。特别是在过去的20年中，人们已经测试了如何在科研与工业实践中使用它们的特性。令人惊讶的是，在相关的文献中，大多数关于声学超材料及其应用的论文或书籍都是在2009年之后出版的。在物理学家J. Pendry和U. Leonhardt在21世纪初提请注意超材料之前，这个话题更加抽象。当某位科学家宣布一种材料具有负折射率时，这并不会引来特别的注意，但如果发布一种材料，能使物体隐形，那么这条新闻就会引起人们极大的兴趣。
声音传播可以通过超材料进行专门操控。这在汽车中是如何发生的，您认为未来有什么潜力？
声音在汽车中的传播可以通过所谓的阻带在某些频率范围内通过声学超材料来阻止，或者例如通过基于超材料的声学透镜重定向或聚焦。在此应用中，还必须说明声学和NVH超材料之间的根本区别。对于声学超材料，尝试通过使用声学谐振器的周期性布置来防止空气传播噪声的传播。超材料表面的阻抗由各个局部谐振器的阻抗决定。在某些频率范围内产生的阻抗跳跃，作为“单元”的共振频率的函数，意味着声波的传播被阻止。NVH超材料也使用此属性。在此尝试防止弯曲波的传播，特别是弯曲波是空气传播噪声的最强来源。以弹簧质量系统或吸收器形式的机械共振单元的周期性布置连接到诸如车门之类的部件上，以抑制它们的振动。通过这些振动声学措施，晶胞单元也经过专门调整，以专门解决有问题的振动。尽管与主动系统相比，声学超材料具有不需要额外功耗的优势，但我认为未来在主动超材料研制与应用中需要结合这两种方法。
你的爱好是“开发和验证用于超材料消声器的谐振器概念”。目前你的研究进展与结果如何？
在开发超材料时，选择其结构或其谐振单元是第一步。超原子的体积取决于目标频率范围，并受整个装置体积的限制。之所以选择亥姆霍兹谐振器（HR）作为单位单元，是因为HR可以在低频下以有限的体积进行调谐。通过将颈部延伸到谐振器本身的空腔中，这些单元可以调得更深。在我的工作中清楚地表明，传输损耗（TL）方面的性能强烈依赖于频率。因此，必须在低共振频率和高阻尼之间找到折衷。
在优化单个晶胞后，必须研究最小谐振单元与超材料整体结构之间的耦合。还研究了波导中单位单元之间的距离，并观察到了一种特殊的行为。如果距离是亥姆霍兹谐振器的谐振频率波长的四分之一，则TL的最大值将出现在窄的频率范围内。这既是用有限元模拟的，也是在测试台上测量的。两种类型的研究都显示出非常好的结果一致性。
波导中单位单元的随机分布或谐振单元阻尼的增加扩展了阻止声音传播的频率范围，但降低了超材料的基本特性以确保在窄频率范围内具有高阻尼。超材料非常适合降低干扰音调分量的幅度，尤其是在低频范围内，并且可以与多孔材料结合以实现中频和高频的吸收。
声学始终是品味和主观的问题。 因此，FEV创造了一种推进噪声的客观化方法。像这样的东西能在多大程度上和准确地描绘现实，还是只是拼凑而成？
一方面，声音事件被认为是烦人的还是令人愉快的，很大程度上取决于主观感知、正在执行的活动、心理状态等。另一方面，客观化试图将噪声评估从主观成分中解放出来。这在考试中总是可取的，因为人类不是一个线性系统。在这种情况下，心理声学有助于考虑这两个方面。粗糙度、Zwicker的响度、Aures的锐度、音调和动量保持是心理声学变量，用于表征声音发射以评估声音事件。从而客观地评价了噪声的频率成分和声压级曲线。因此，FEV的工作及其客观化方法无疑是向前迈出了一步。
内燃机辅助装置的电气化正在进行中。据麦格纳（Magna）称，电动空调压缩机在车内有其他以前听不到的干扰噪音。您可以为您的模型测量技术提供哪些建议？
我在模型测量技术方面的经验与室内声学有关。在这方面，模型测量技术用于尽早发现大厅或剧院的架构中的错误，以避免后续的转换成本。这些很容易在六位数范围内。在汽车行业，改善原型声学效果的措施可能不会导致车身发生任何变化。形状/几何形状受制于许多其他核心特征，例如具有更高优先级的安全相关方面。此外，在室内声学和汽车行业的模拟方面投入了大量资金。与其建立昂贵的真实模型，不如使用更具确定性和静态的计算模型来进行初步研究。在低频范围内，可以清楚地区分车辆的第一个模态，确定性方法适用。在更高的频率下，已经从2 kHz开始，单个模态不再可区分，模态出现的频率不再重要，而是它们在某个频率范围内的数量。因此，我看到了在混合模型中结合确定性方法（如FEA（有限元分析））和统计方法（如SEA（统计能量分析））进行模拟的未来。
Emanuele Merlo在ATZ 7-8-2022的采访“Beste Leistung bei kleinstmöglichem Volumen - 以最小体积实现最佳性能”中提供了对超材料主题的进一步见解。
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