前沿丨仿生声学超材料的声波控制及水下应用研究进展- 大数跨境

两江科技评论

2021-09-24

导读：作者：王兆宏,罗怡坤,楚杨阳单位：西安交通大学电子科学与工程学院

声学超构材料作为一种新型的人工结构材料，拥有天然材料所不具备的超常物理特性，比如：负质量、负刚度等。与传统声学材料相比，声学超材料具有设计性强、拓展性强等优点，可以突破传统声学材料的物理极限，为小尺寸、轻量化结构解决低频减震降噪、低频宽带声波控制等瓶颈问题提供新思路。仿生声学超材料借鉴仿生学思想和声学超材料的优势，在噪声控制、声学通信、目标探测、生物医疗等领域具有十分广阔的应用前景，国内外学者开展了大量的研究工作。

近日，西安交通大学电子科学与工程学院，多功能材料与结构教育部重点实验室王兆宏教授团队在《人工晶体学报》2021年第7期“人工光/声微结构材料”专题发表了题为“仿生声学超材料的声波控制及水下应用研究进展”的综合评述（作者：王兆宏，罗怡坤，楚杨阳）。文章综述了多年来仿生声学超材料在空气动力学及流体力学降噪方面的研究工作进展，重点介绍了仿生声学超材料在低频声波控制以及水下应用方面的研究工作。

论文题录●●

王兆宏,罗怡坤,楚杨阳.仿生声学超材料的声波控制及水下应用研究进展[J].人工晶体学报，2021,50(7):90-104.

WANG Zhaohong, LUO Yikun, CHU Yangyang. Review of acoustic control and underwater application of biomimetic acoustic metamaterials[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2021, 50(7): 90-104

//文章导读

飞机、列车和汽车、螺旋桨、管道、潜艇、船只等在运行过程中都会涉及空气动力噪声或者流体动力噪声。以高速运转的列车为例，当列车速度以大于300 km/h的速度运行时，空气动力噪声将成为主要噪声源。噪声严重制约了设备的性能发挥和舒适性品质，已成为目前环境污染控制的主要问题之一。因此，降低空气/流体动力学噪声是流体机械设计的关键技术。借鉴安静型猫头鹰的尾缘锯齿结构、鲨鱼皮鳞片上排列的近似V形沟槽结构、中华鳃鱼表面圆形凹坑等仿生学思想，利用不同结构的仿生声学超材料结构设计了低流阻噪声的非光滑边缘飞机机翼、非光滑表面高速列车车身等，一系列研究成果如图1所示。其中，凹坑形非光滑仿生超材料结构在空气中减阻降噪的实例之一就是在高尔夫球上的应用。高尔夫球飞行的前方有一高压区，气流在球表面形成薄薄的边界层，空气流经球的后方时，边界层与球体分离，在球的后方产生一个湍流尾流区。湍流的扰动导致球体后区压力较低，尾流区越大，压力就越小，对球的阻力就越大，噪声也越大。光滑球面的界面层容易剥离而产生大的尾流区，而采用凹坑形非光滑表面使空气形成的边界层紧贴球的表面，使平滑的气流顺着球形多往后走一些，减小尾流区，增加球后方的压力，从而使球飞得较远，噪声也更低。

图1 仿生声学超材料结构的应用

声波的频率越低，波长越长，能量传输的距离越远，因此利用小尺寸控制低频声波的难度非常大。然而，人耳能够接收20~20000 Hz频率范围内的声波，因此利用仿生声学超材料实现低频宽带声波控制至关重要。在充分研究人类耳蜗及基底膜结构接收宽频声波频率的基础上，西安交通大学吴九汇教授课题组构建了具有负刚度和负质量的螺旋结构仿生声学超材料（见图2）并进行声学特性研究。仿生声学超材料的螺旋总长度为32 mm，调控的频率范围为89.3~10097.2 Hz。该课题组还提出了一种毫米量级长度的周期性外毛细胞结构，这种仿生外毛细胞超材料结构的基本单元如图3(a)所示。首先由三种不同长度和带有一定角度的钢V形板作为纤毛簇连接一个方形弹性橡胶膜，方形弹性橡胶膜再与包含两个锥形过渡段的橡胶圆筒相连，橡胶圆筒可视为纤毛细根，橡胶圆柱另一端再连接一个方形弹性橡胶膜，最后连接一个塑料垫圈；上下两个方形弹性橡胶膜采用同样的材料和结构参数。该仿生声学超材料的声传输损耗（STL）曲线如图3(b)所示，在200 Hz以下的极低频范围内，平均声传输损耗约为70 dB，具有良好的低频隔声性能。这种仿生声学超材料的设计构想对于轻量化结构实现低频隔声、低频减振降噪等具有重要的参考价值。

图2 螺旋仿生声学超材料

图3 仿生耳蜗毛细胞单元及其构建的仿生声学超材料的声传输损耗曲线

由于海水和空气之间的阻抗差异巨大，对于水下应用而言，实现能够满足海水与空气间阻抗匹配的可工程应用的小尺寸结构至关重要。海豚不仅具有良好的水中航行能力，而且经常将头部伸出至水面以外的空气中，它的头部能够迅速、自如的在水中和空气中进行来回切换。这意味着海豚头部具有能够满足水和空气之间阻抗匹配的结构。受到海豚的生物声呐特性启发，结合海豚声学结构对应的声阻抗函数和超材料设计，厦门大学张宇教授课题组构建了一种宽频仿生超凝胶阻抗匹配器（见图4），图4(b)给出了该宽频仿生超材料阻抗匹配器（BMIT）和四分之一波长阻抗匹配器（QIT）的透射系数的理论结果和数值仿真结果。该团队开展水下超声探测实验，将超材料结构嵌入至水凝胶基体中（见图5），实现仿生声学超材料阻抗匹配器的阻抗渐变特性。该超材料突破传统四分之一波长阻抗匹配器的波长与长度之间的依赖性，能够利用小尺寸实现宽带声传输与探测，为下一代宽带器件设计开辟了新途径。

图4 基于海豚头颅结构的宽频仿生声学超材料阻抗匹配器。(a)超材料阻抗匹配器示意图；(b)仿生超材料阻抗匹配器和四分之一波长阻抗匹配器的频率响应比较

图5 用六角形钢瓶阵列自组装水凝胶的仿生声学超材料结构及其实验装置

//结论与展望

文章简要综述了过去十多年来仿生声学超材料在空气/流体动力学噪声控制技术及声波控制方面的最新进展。借鉴安静型鸟类羽毛及结构、鱼类皮肤等的仿生学耦合特性，利用非光滑边缘结构或者非光滑表面的仿生声学超材料实现在空气动力学或流体动力学方面减阻降噪的研究时间较长、发展迅速，在机翼/叶片尾缘和前缘、螺旋桨、高速列车车身等减阻降噪方面开展了大量的研究工作，研究成果丰硕，一些研究成果已经推广至工程应用，但仿生学降噪理论与实际工程应用二者之间仍存在一定差距，仿生学降噪机理仍处于学术探索阶段。由于声学超材料具有天然材料所不具备的特殊物理性质，有望利用小尺寸控制低频声波，利用人类耳蜗具有能够捕获低频宽带声波的独特优势，构建的耳蜗仿生声学超材料实现了低频宽带声波控制。借鉴海豚头部能够适应水和空气二者巨大阻抗差异的特点，研究人员设计了宽频仿生声学超材料阻抗匹配器。随着材料-结构-功能一体化设计和3D打印增材制造加工技术的发展，仿生声学超材料在低频声波控制、声波宽带工作，以及水下应用等方面的研究将具有非常广阔的发展前景，还有待于进一步深入挖掘和探索。