仿生聲學(xué)超材料的聲波控制及水下應(yīng)用研究進(jìn)展

王兆宏,羅怡坤,楚楊陽

(1.西安交通大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，多功能材料與結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；2.鄭州輕工業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院,鄭州 450001)

0 引 言

聲學(xué)超材料作為一種新型的人工結(jié)構(gòu)，通過對傳統(tǒng)材料進(jìn)行加工組合等設(shè)計(jì)，擁有了天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)。比如在宏觀系統(tǒng)中呈現(xiàn)特殊的等效物理性質(zhì)：各向異性、負(fù)密度、負(fù)彈性模量、負(fù)折射等。通過人工設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)可以調(diào)控聲學(xué)超材料的能帶色散關(guān)系，從而改變聲波的激發(fā)和傳播，并能夠產(chǎn)生突破衍射極限的分辨率。因此，聲學(xué)超材料極大地拓寬了傳統(tǒng)聲學(xué)材料的概念，為小尺寸實(shí)現(xiàn)低頻吸聲、隔聲、減振、隱身等聲波控制提供了新的思路。

仿生學(xué)的概念于1960年被提出，被廣泛應(yīng)用于航海、航空、航天、農(nóng)業(yè)、電子、自動(dòng)控制和衛(wèi)星導(dǎo)航等諸多領(lǐng)域，它是生物學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)和工程技術(shù)學(xué)等學(xué)科相互滲透而結(jié)合成的新興的交叉科學(xué)。仿生學(xué)是通過研究和借鑒生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、能量轉(zhuǎn)換、信息控制等各種優(yōu)異的特征和原理，為設(shè)計(jì)和制造新的技術(shù)設(shè)備提供了類似于生物系統(tǒng)特征的新原理、新方法和新途徑。仿生思維一直伴隨著人類文明發(fā)展的進(jìn)程，已經(jīng)在許多科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域取得了突出成績，產(chǎn)生了很多推動(dòng)人類進(jìn)步的發(fā)明創(chuàng)造。例如，模仿草葉邊緣鋸齒的鋸、模仿蝙蝠超生定位的雷達(dá)、模仿蒼蠅復(fù)眼的蠅眼航空照相機(jī)、模仿能感知千分之一溫度變化的響尾蛇“探熱器”等舉不勝舉[1-2]。

結(jié)合仿生學(xué)原理，聲學(xué)超材料在空氣動(dòng)力學(xué)及流體動(dòng)力學(xué)噪聲控制領(lǐng)域取得了卓越的成就[3-4]，并進(jìn)行了借鑒仿生學(xué)思想的波束控制研究，為低頻聲波控制、水下應(yīng)用等聲學(xué)應(yīng)用提供了參考。因此，仿生聲學(xué)超材料在噪聲控制、聲學(xué)通信、目標(biāo)探測、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1 仿生聲學(xué)超材料在空氣及流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的研究狀況

飛機(jī)、列車、汽車、螺旋槳、管道、潛艇和船只等在運(yùn)行過程中涉及空氣動(dòng)力噪聲或者流體動(dòng)力噪聲。以螺旋槳為例，其在運(yùn)行的過程中，由于帶動(dòng)介質(zhì)(比如：空氣、水)流動(dòng)，將產(chǎn)生噪聲。以高速運(yùn)轉(zhuǎn)的列車為例，當(dāng)列車速度以大于300 km/h的速度運(yùn)行時(shí)，空氣動(dòng)力噪聲將成為主要噪聲源[5-6]。噪聲嚴(yán)重制約了設(shè)備的性能發(fā)揮和舒適性品質(zhì)，已成為目前環(huán)境污染控制的主要問題之一。因此，降低空氣/流體動(dòng)力學(xué)噪聲是流體機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 流體控制理論

對于運(yùn)動(dòng)環(huán)境的介質(zhì)是連續(xù)的，介質(zhì)是由流體質(zhì)點(diǎn)組成的，質(zhì)點(diǎn)又被稱為微團(tuán)，微團(tuán)包含足夠的分子，另外表征流體屬性的其他物理量在流體連續(xù)運(yùn)動(dòng)方程中時(shí)間和空間都是單值連續(xù)可微的。在該前提下，可以運(yùn)用基本控制方程來研究流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，流體控制方程是描述運(yùn)動(dòng)中流體各變量之間的關(guān)系。運(yùn)動(dòng)中的流體遵循三大基本守恒定律：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。

質(zhì)量守恒意味著單位時(shí)間內(nèi)流體微團(tuán)中質(zhì)量的增加等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微團(tuán)內(nèi)的凈質(zhì)量，在笛卡兒坐標(biāo)系下質(zhì)量守恒方程的微分形式為:

(1)

式中：ρ為介質(zhì)密度;x、y和z為坐標(biāo)系單位分量;u、v和w分別為速度矢量在x、y和z方向的速度分量，t為時(shí)間分量。

流體運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)量守恒定律稱為Navier-Stoke方程(通常被稱為N-S方程)，意味著微團(tuán)內(nèi)流體的動(dòng)量對時(shí)間的變化率等于外界作用在該微團(tuán)上的各力之和，可表示為：

(2)

式中：ui(i=1、2、3)為各方向的速度分量；p為流體壓力；Fi為質(zhì)量力在i方向上的分量；τij為黏性應(yīng)力張量，xj為坐標(biāo)系單位分量。

能量守恒方程可以描述為微團(tuán)中能量的增加率等于進(jìn)入微團(tuán)的凈熱量加上體積力與面力對微團(tuán)所做的功。流體總能量E包括內(nèi)能、動(dòng)能和勢能。表達(dá)式為：

(3)

式中：T為溫度；cp為比熱容；k為傳熱系數(shù)；ST為黏性耗散。

流體動(dòng)力學(xué)噪聲由流體流動(dòng)產(chǎn)生，流體的應(yīng)力張量為：

γij=-σij+δijp

(4)

(5)

式中：γij為黏性應(yīng)力張量；σij為黏性應(yīng)力張量分量；δij為單位張量(當(dāng)i=j時(shí)δij=1，否則為0)；μ為平均運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。

根據(jù)表達(dá)式(4)和(5)以及質(zhì)量守恒方程和N-S方程，得到Lighthill聲傳播基本方程為

(6)

(7)

式中：τij為Lighthill應(yīng)力張量；Δρ=ρ-ρ0為聲傳播引起的介質(zhì)密度變化，其中ρ0為平均密度；c0為聲速。

后來，F(xiàn)fowcs Williams和Hawkings進(jìn)一步考慮了旋轉(zhuǎn)壁面的情況并將廣義格林函數(shù)法應(yīng)用至帶有任意流動(dòng)固體邊界的Lighthill聲學(xué)理論中，得到了著名的Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H)方程：

(8)

FW-H方程適用于空氣動(dòng)力學(xué)及流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域[7-8]。通常借助上述理論，對仿生聲學(xué)超材料的空氣動(dòng)力學(xué)及流體動(dòng)力學(xué)的噪聲特性進(jìn)行數(shù)值分析，旨在揭示基于仿生聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)噪聲控制機(jī)理。

1.2 基于仿生聲學(xué)超材料的空氣/流體動(dòng)力學(xué)降噪技術(shù)研究現(xiàn)狀

自然界動(dòng)物經(jīng)過幾百萬年乃至上千萬年的生存競爭和進(jìn)化，許多飛行類動(dòng)物形成了卓越的飛行本領(lǐng)。比如：貓頭鷹(鸮形目)在飛翔的過程中悄無聲息，這一特殊寂靜飛行本領(lǐng)是由于它的翅膀和羽毛有消聲作用，將其原理與聲學(xué)超材料相結(jié)合就形成了氣動(dòng)聲學(xué)領(lǐng)域特有的仿生聲學(xué)超材料的氣動(dòng)噪聲降低研究方向。通過對鸮類和鯊魚類等高速運(yùn)動(dòng)過程中靜音動(dòng)物的降噪功能的研究，發(fā)現(xiàn)它們具有一定的非光滑形態(tài)表面，這種非光滑的動(dòng)物體表面，能夠減小動(dòng)物在運(yùn)動(dòng)過程中與介質(zhì)摩擦所發(fā)出的噪聲，這表明噪聲大小與生物體表的非光滑形態(tài)密切相關(guān)。通過大量的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，仿生非光滑結(jié)構(gòu)降噪技術(shù)按表面形態(tài)特征主要分為兩種[9-11]：(1)邊緣非光滑結(jié)構(gòu)降噪；(2)非光滑表面降噪。目前,帶有仿生結(jié)構(gòu)的用于氣動(dòng)噪聲降低的聲學(xué)超材料研究比較活躍,并取得了一定的研究進(jìn)展。

鸮作為一種典型的靜音飛行動(dòng)物在仿生學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注。1991年，Howe等報(bào)道了模仿貓頭鷹翅膀的鋸齒尾緣翼型降噪的理論分析研究結(jié)果[10-11]，并構(gòu)建了鋸齒尾緣降噪的預(yù)測模型。經(jīng)過大量的研究工作發(fā)現(xiàn)，鸮的低噪聲飛行特性除了鸮翼表面及構(gòu)形的影響因素之外，還與其胸腹部表面與皮膚等的耦合降噪結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。1972年，Kroeger等[12]通過實(shí)驗(yàn)研究了貓頭鷹的低噪聲飛行特征，并分析了其仿生降噪特性在低噪聲飛機(jī)設(shè)計(jì)中的工程實(shí)現(xiàn)性；通過讓經(jīng)過訓(xùn)練的貓頭鷹從距離地面3 m高的棲息處向前下方食物放置處飛去，測量其飛行路線、飛行速度及其不同飛行高度時(shí)的噪聲，再對比剪去其翅膀前緣梳狀結(jié)構(gòu)的初級羽毛和尾緣流蘇結(jié)構(gòu)的曳尾羽毛之后的飛行噪聲，發(fā)現(xiàn)減去部分羽毛的貓頭鷹的飛行噪聲與其重量和大小相同的其他類型飛鳥一樣強(qiáng)烈，而且會影響其飛行穩(wěn)定性。2007年，Bachmann等[13]詳細(xì)分析了貓頭鷹和鴿子翅膀羽毛的形態(tài)特征，如圖1所示。貓頭鷹的羽毛前緣形成梳狀鋸齒狀，每個(gè)鋸齒是由單個(gè)倒鉤的尖端形成的，鋸齒的形狀都是彎曲的，其尖端指向羽毛的近端(見圖1(a))；每個(gè)鋸齒向背側(cè)彎曲，其倒鉤端部可以自由漂浮(見圖1(b))。圖1(c)和圖1(h)可以明顯看出二者羽毛相同區(qū)域的結(jié)構(gòu)區(qū)別，貓頭鷹羽毛呈現(xiàn)天鵝絨狀結(jié)構(gòu)，而鴿子的羽軸明顯呈直線排列。2011年，Sarradj等[14]采用傳聲器陣列和雙通道攝像技術(shù)，對野外自由飛行的飛鳥包括貓頭鷹、茶隼、哈里斯鷹等的噪聲特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明：飛行速度相同的情況下，貓頭鷹的飛行噪聲要比其他鳥類低幾個(gè)分貝，尤其是在1.6 kHz以上頻率范圍，貓頭鷹的飛行噪聲極低。由于被貓頭鷹捕食的獵物聽覺最敏感范圍為2～20 kHz，因此對獵物而言貓頭鷹屬于“寂靜”飛行。該報(bào)道測量了完全真實(shí)的飛行狀態(tài)情況下貓頭鷹的噪聲輻射特性。長耳鸮在捕食過程中需要近距離靠近聽覺非常敏銳的獵物，比如田鼠，田鼠的聽覺最敏感頻段在1～2 kHz[15-16],因此,減少飛行過程相應(yīng)頻段聲波的產(chǎn)生與反射是長耳鸮成功捕食的必要條件。

圖1 貓頭鷹與鴿子翅膀羽毛的對比(a～e為貓頭鷹，f～j為鴿子；其中：a和f為前緣，b和g為尾緣，c和h為絨毛，d和i為孔隙度對比，e和j為絨羽倒鉤)[12]

吉林大學(xué)地面機(jī)械仿生技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室任露泉教授課題組[17]曾長期對長耳鸮的皮膚和覆蓋層羽毛耦合的降噪特性進(jìn)行仿生研究，并與雉雞和鴿子進(jìn)行對比分析。三種鳥類皮膚和覆羽的吸聲能力在1 kHz以下無明顯差異，長耳鸮在1～4 kHz頻段的吸聲系數(shù)最大可達(dá)0.45，而雉雞和鴿子在1～4 kHz的吸聲性較差。這是由于長耳鸮體表覆蓋層羽毛、絨毛、真皮層、空腔及皮下組織的共同作用，構(gòu)成了多層次的形態(tài)與結(jié)構(gòu)耦合吸聲系統(tǒng)；與不存在這種耦合特征的單一結(jié)構(gòu)(比如：如雉雞)相比，具有典型的寬頻降噪效果。通過大量的研究工作表明，貓頭鷹等安靜型生物體的低噪聲飛行是由其生物體的生物耦合單元之間的耦合關(guān)系，比如：羽翅耦合、皮毛耦合等實(shí)現(xiàn)的，主要的降噪功能是由翅膀的前緣鋸齒、后緣鋸齒以及天鵝絨狀表面等共同實(shí)現(xiàn)的。吉林大學(xué)任露泉教授課題組經(jīng)過長期的仿生降噪研究，提出了“生物耦合”和“耦合仿生”的概念。生物耦合是指在生物體中兩個(gè)或者兩個(gè)以上的不同體系包括特征、系統(tǒng)等通過相互協(xié)同作用，即耦合方式聯(lián)合起來形成的具備多種特定生物功能，從而實(shí)現(xiàn)對外部環(huán)境的最佳適應(yīng)性的生物實(shí)體的一種自然現(xiàn)象。耦合仿生是將兩種以上的仿生體系特征、系統(tǒng)耦合，從而構(gòu)建成以低能耗獲取最大環(huán)境適應(yīng)性為特征的人工技術(shù)集成系統(tǒng)。根據(jù)長耳鸮的胸腹部皮膚和覆羽生物耦合吸聲降噪特征，進(jìn)行耦合仿生類比：長耳鸮體表覆羽和絨毛層類比為微縫板，長耳鸮皮膚真皮層與皮下空腔類比為柔性多孔吸聲材料與空腔構(gòu)成的吸聲結(jié)構(gòu)，構(gòu)建的仿生耦合吸聲超材料結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，該超材料結(jié)構(gòu)在1 kHz以上具有一定的吸聲效果。研究雕鸮羽毛最外側(cè)初級飛羽的外羽片具有鋸齒形前緣(見圖3(a))以及其羽片放大后呈現(xiàn)溝與脊的條紋結(jié)構(gòu)(見圖3(b))，將其鋸齒和條紋羽毛表面的消音特征用于軸流風(fēng)機(jī)葉片表面，在軸流風(fēng)機(jī)葉片的前緣和后緣設(shè)置鋸齒形態(tài)，條紋狀結(jié)構(gòu)置于軸流風(fēng)機(jī)葉片正壓力面，并使條紋結(jié)構(gòu)呈等間距的同心環(huán)狀排列。仿生耦合軸流風(fēng)機(jī)在1 000 r/min、1 100 r/min、1 200 r/min、1 300 r/min、1 400 r/min轉(zhuǎn)速下的A聲級值最大可分別降低4.9 dB、4.5 dB、4.6 dB、4.9 dB和5.8 dB[18]。2020年,西安交通大學(xué)劉小民教授課題組[19]研究了仿鸮翼葉片尾緣的軸流風(fēng)機(jī)葉片，表1給出了他們數(shù)值模擬的原型風(fēng)機(jī)(見圖3(d))及仿生耦合風(fēng)機(jī)(葉片見圖3(e))對比數(shù)據(jù)，可以看出仿生耦合葉片在最大流量時(shí)整體降噪幅度為2 dB，且風(fēng)量提升了4.69%。

圖2 一種仿生耦合吸聲超材料結(jié)構(gòu)[18]

圖3 鸮的羽毛和基于此思想構(gòu)建的耦合仿生軸流電機(jī)[18-19]

表1 原型風(fēng)機(jī)和仿生風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬對比

雖然，貓頭鷹等安靜型生物體的低噪聲飛行是由其生物體的生物耦合單元之間的耦合關(guān)系共同決定的，但是大量研究者認(rèn)為，其中的尾緣鋸齒是最為有效的降噪方法，因此借鑒該思想設(shè)計(jì)機(jī)翼的報(bào)道較多[20-32]?；谪堫^鷹的耦合仿生思想，2020年Liu等[20]研究了不同仿生機(jī)翼尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)的降噪幅度，研究結(jié)果表明鋸齒形和正弦形鋸齒形的降噪效果最顯著,翼型的噪聲峰值頻率約為400 Hz，其最大降噪幅度為8.74 dB。圖4為基于貓頭鷹耦合仿生結(jié)構(gòu)的帶有尾緣鋸齒的三維機(jī)翼模型。

圖4 基于貓頭鷹的帶有尾緣鋸齒的耦合仿生三維機(jī)翼模型[20]

模仿座頭鯨鰭肢前緣凸起的波浪狀前緣結(jié)構(gòu)也得到了人們的關(guān)注。Fish等[33]首次發(fā)表了座頭鯨鰭肢前緣凸起結(jié)構(gòu)的流體動(dòng)力學(xué)性能研究。之后，大量研究者開展了前緣鋸齒及波浪形對空氣/流體動(dòng)力噪聲的影響[34-55]。圖5中給出了幾種借鑒了前緣鋸齒/波浪形的仿生聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)。表2列舉了近年來針對前緣鋸齒/波浪形仿生學(xué)結(jié)構(gòu)降低空氣/流體動(dòng)力噪聲的主要研究工作[3,34,54-55]。

圖5 借鑒前緣結(jié)構(gòu)/波浪形的仿生聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)[3,37]

表2 仿生學(xué)波浪形前緣仿生聲學(xué)超材料降低空氣動(dòng)力學(xué)/流體動(dòng)力噪聲研究

除采用非光滑邊緣的仿生聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行空氣動(dòng)力及流體動(dòng)力噪聲降低之外，生物學(xué)家在觀察許多魚類和其他生物的皮膚后,各種非光滑表面包括溝槽或凹坑周期結(jié)構(gòu)等的仿生聲學(xué)超材料也被提出。比如利用鯊魚皮鱗片上排列有近似V型溝槽結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)思想，構(gòu)建有源或無源聲學(xué)超材料實(shí)現(xiàn)流阻降噪[56-57]。目前，我國研究人員大量報(bào)道了飛速發(fā)展的高速列車不同部位利用仿生聲學(xué)超材料非光滑表面情況下對氣動(dòng)噪聲的影響[58-68]。將具有周期性球形溝槽的仿生聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)用于機(jī)車的車身表面特定位置(見圖6)，為了控制氣動(dòng)噪聲，分析了仿生超表面的壁面吸力和滑移效應(yīng)。當(dāng)流體流經(jīng)機(jī)車車身的槽體表面時(shí)，由于內(nèi)部槽體周圍順時(shí)針方向的壓差而產(chǎn)生壁面吸力效應(yīng)。車身尾渦區(qū)域減小，壁面脈動(dòng)壓力減小，邊界層逆壓減輕。另一方面，在凹槽對應(yīng)的界面處產(chǎn)生了與流動(dòng)方向一致的滑移速度，導(dǎo)致邊界層內(nèi)速度梯度和邊界層厚度減小。理想情況下，通過調(diào)整溝槽參數(shù)，比如溝槽深度和半徑等，當(dāng)滑移速度增加到流動(dòng)速度時(shí)，邊界層可以消失?？傮w而言，壁面吸力滑移效應(yīng)從根本上阻止了邊界層的產(chǎn)生并延緩邊界層的分離。這種仿生超表面非光滑凹槽車身對450～1 000 Hz氣動(dòng)噪聲的平均降噪為11.97 dB[58]。除了對非光滑周期溝槽表面結(jié)構(gòu)的研究，科研人員還模仿中華鰓魚等魚類表面圓形凹坑的形狀對凹坑形狀的仿生非光滑表面進(jìn)行了研究，凹坑形非光滑仿生結(jié)構(gòu)在空氣中減阻降噪的最好實(shí)例是在高爾夫球上的應(yīng)用。高爾夫球飛行的前方有一高壓區(qū),氣流在球表面形成薄薄的邊界層,空氣流經(jīng)球的后方時(shí),邊界層與球體分離,在球的后方產(chǎn)生一個(gè)湍流尾流區(qū)。湍流的擾動(dòng)導(dǎo)致球體后區(qū)壓力較低,尾流區(qū)越大,壓力就越小,對球的阻力就越大，噪聲也越大。光滑球面的界面層容易剝離而產(chǎn)生大的尾流區(qū)凹坑，使空氣形成的邊界層緊貼球的表面,使平滑的氣流順著球形多往后走一些,減小尾流區(qū),增加球后方的壓力,從而使球飛得較遠(yuǎn)，噪聲也更低。利用凹坑形仿生超材料結(jié)構(gòu)降噪的原理在汽車后視鏡表面布置了凹坑結(jié)構(gòu)(非光滑表面汽車觀后鏡見圖7(a)，作為對比的光滑表面汽車觀后鏡見圖7(b))，對具有非光滑表面鏡罩的后視鏡對氣動(dòng)噪聲的影響進(jìn)行了氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明采用非光滑表面后視鏡流場的壓力分布、速度分布等都得到了改善，有較好的降噪效果，在800 Hz 以上的中高頻區(qū)比光滑后視鏡模型低2～6 dB[69]。利用凹坑仿生超材料減阻降噪的特性和機(jī)理，Dai等[70]采用大規(guī)模并行網(wǎng)格及大渦模擬數(shù)值方法對凹坑形仿生葉片式離心泵的內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)與聲學(xué)性能進(jìn)行了探究，驗(yàn)證了凹坑形仿生結(jié)構(gòu)對離心泵具有一定的降噪能力，同時(shí)在機(jī)理上對其減阻降噪特性進(jìn)行了分析。

圖6 周期性球形溝槽的仿生聲學(xué)超材料[58]

圖7 汽車后視鏡結(jié)構(gòu)示意圖[69]

仿生學(xué)結(jié)合聲學(xué)超材料技術(shù)已經(jīng)在空氣動(dòng)力學(xué)及流體動(dòng)力學(xué)降噪方面開展了長期的研究工作，并且取得了一定的工程應(yīng)用。2018年，西北工業(yè)大學(xué)喬渭陽教授課題組[3]綜述并分析了目前仿生超材料氣動(dòng)噪聲控制存在的主要問題及未來的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向，這些仍然是未來需要解決的瓶頸問題和重點(diǎn)發(fā)展方向。

2 仿生聲學(xué)超材料在低頻聲波控制及水聲學(xué)領(lǐng)域的研究狀況

聲波的頻率越低，波長越長，能量傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，因此利用小尺寸控制低頻聲波的難度非常大。由于聲學(xué)超材料擁有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)，比如：各向異性、負(fù)密度、負(fù)彈性模量、負(fù)折射等。因此，聲學(xué)超材料極大地拓寬了傳統(tǒng)聲學(xué)材料的概念，被認(rèn)為是小尺寸控制低頻聲波的理想選擇[71-72]。由于空氣中的聲速為340 m/s，水中的聲速為1 490 m/s，這意味著水中低頻聲波控制的難度比空氣中更大。因此，有研究人員[73-79]在低頻聲波控制以及水下聲學(xué)方面借鑒仿生學(xué)的思想，結(jié)合仿生學(xué)和聲學(xué)超材料的共同優(yōu)勢開展了低頻聲波控制及水聲學(xué)的相關(guān)研究。鑒于目前相關(guān)的研究報(bào)道較少，因此，以下將介紹相關(guān)領(lǐng)域報(bào)道較為集中的代表性工作。

2.1 仿生聲學(xué)超材料在低頻聲波控制方面的研究

人類耳朵能夠聽到的聲音頻率范圍為20～20 000 Hz，圖8(a)是一個(gè)耳蝸及基底膜的結(jié)構(gòu)，螺旋結(jié)構(gòu)的基底膜的外輪廓主要接收頻率高至20 000 Hz的聲波，基底膜螺旋結(jié)構(gòu)的內(nèi)輪廓主要接收頻率低至20 Hz的聲波。圖8(b)是一個(gè)豚鼠耳蝸基底膜的掃描電鏡照片，顯示了外毛細(xì)胞及其纖毛束，可以看出這是聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)。西安交通大學(xué)吳九匯教授課題組[76-77]在對耳蝸研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了仿生聲學(xué)超材料并進(jìn)行聲學(xué)特性研究。圖9(a)所示的由半個(gè)橢圓形和半個(gè)圓形結(jié)構(gòu)拼接而成的耳蝸仿生螺旋聲學(xué)超材料，耳蝸螺旋頂側(cè)的起始半徑為2 mm，底部終點(diǎn)的半徑為4 mm，螺旋圈數(shù)為2.7，螺旋總長度為32 mm，該螺旋仿生聲學(xué)超材料具有負(fù)剛度和負(fù)質(zhì)量的雙負(fù)特性。從圖9(b)中可以看出，螺旋結(jié)構(gòu)的頂部圓環(huán)位置最小自然頻率為89.3 Hz；從圖9(c)中可以看出，螺旋結(jié)構(gòu)的中部圓環(huán)位置的自然頻率為5 000.5 Hz；從圖9(d)中可以看出，底部圓環(huán)的自然頻率是10 097.2 Hz。從理論上講，該耳蝸仿生聲學(xué)超材料如果用作能量回收裝置，可以獲得連續(xù)的寬帶共振峰，在可聽頻帶內(nèi)的振動(dòng)和聲音所產(chǎn)生的能量都可以被回收。該結(jié)構(gòu)可以通過靈活地控制設(shè)計(jì)參數(shù)，在寬帶能量恢復(fù)設(shè)備、耳蝸移植、聲學(xué)黑洞等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。該課題組[77]還提出了一種毫米量級長度的周期性外毛細(xì)胞結(jié)構(gòu)，這種仿生外毛細(xì)胞超材料結(jié)構(gòu)的基本單元如圖10(a)所示。首先由三種不同長度和帶有一定角度的鋼V形板作為纖毛簇連接一個(gè)方形彈性橡膠膜，方形彈性橡膠膜再與包含兩個(gè)錐形過渡段的橡膠圓筒相連，橡膠圓筒可視為纖毛細(xì)根，橡膠圓柱另一端再連接一個(gè)方形彈性橡膠膜，最后連接一個(gè)塑料墊圈；上下兩個(gè)方形彈性橡膠膜采用同樣的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)。該仿生聲學(xué)超材料的聲傳輸損耗(STL)曲線如圖10(b)所示，在200 Hz以下的極低頻范圍內(nèi)，平均聲傳輸損耗約為70 dB，具有良好的低頻隔聲性能。這種仿生聲學(xué)超材料的設(shè)計(jì)構(gòu)想對于輕量化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低頻隔聲、低頻減振降噪等具有重要的參考價(jià)值。

圖8 耳蝸及其掃描電鏡照片[76]

圖9 螺旋仿生聲學(xué)超材料[76]

圖10 仿生耳蝸毛細(xì)胞單元及其構(gòu)建的仿生聲學(xué)超材料的聲傳輸損耗曲線[77]

2.2 仿生聲學(xué)超材料在水下應(yīng)用方面的研究

海豚進(jìn)化出了一套復(fù)雜的生物聲吶系統(tǒng)來適應(yīng)水下環(huán)境[78-81]，它可以通過鼻系統(tǒng)中的猴唇/背囊復(fù)合體產(chǎn)生寬帶信號來捕食和探測水下物體，并能夠靈活自如的在海面上下自由跳躍[79]。然而，海面上空氣和水的阻抗差異巨大，海豚的前額作為一個(gè)軟阻抗匹配系統(tǒng)，可以將寬帶信號傳輸?shù)剿?。廈門大學(xué)張宇教授課題組研究了海豚的生物聲吶特性[78,81]，研究結(jié)果表明：海豚的聲傳輸由額部的聲阻抗分布控制，其額部的脂肪組織、肌肉和結(jié)締組織以典型的順序堆疊在一起，從而產(chǎn)生一定的聲阻抗分布。脂肪組織構(gòu)成前額最內(nèi)層，擁有最低的聲阻抗；它們被周圍的肌肉組織包裹著，肌肉組織具有較高的聲阻抗；結(jié)締組織具有最高的聲阻抗和類似一個(gè)復(fù)雜的角狀結(jié)構(gòu)在后前額。這些組織共同作用產(chǎn)生變化的聲阻抗分布來控制能量傳輸。而且海豚可以通過壓迫面部肌肉組織來調(diào)整前額，使其組織變形，實(shí)現(xiàn)聲指向性的操縱[82]。圖11(a)給出了海豚頭部的CT三維重建和組織樣本結(jié)構(gòu)，圖11(b)顯示海豚頭部矢狀橫斷面的CT圖像(側(cè)視圖)，阿拉伯?dāng)?shù)字表示橫截面的位置順序。他們通過實(shí)驗(yàn)測量中華白海豚額隆區(qū)域不同部位的平均聲速值，重建獲得中華白海豚頭部各個(gè)組織的三維聲速分布[83]?；诤ｋ嗌锫晠认到y(tǒng)CT掃描圖，設(shè)計(jì)了一種具有高指向性的仿生聲學(xué)超材料投射儀結(jié)構(gòu)[84]，如圖12所示，該投射儀包括一個(gè)有邊界的漸變折射率(GRIN)材料、空腔和鋼結(jié)構(gòu)，操縱全方向的聲波成為一個(gè)具有高度指向性的波，而且主瓣聲壓提高約3倍，角分辨率提高了1個(gè)數(shù)量級，帶寬范圍較寬。這種仿生聲學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為亞波長尺寸水下聲吶、醫(yī)療超聲以及相應(yīng)的聲學(xué)應(yīng)用提供了良好的設(shè)計(jì)思路。

圖11 中華白海豚頭部的CT圖像[83]

圖12 仿生聲學(xué)超材料投射儀[84]

由于海水和空氣之間的阻抗差異巨大，對于水下應(yīng)用而言，實(shí)現(xiàn)能夠滿足海水與空氣間阻抗匹配的可工程應(yīng)用的小尺寸結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。海豚不僅具有良好的水中航行能力，而且經(jīng)常將頭部伸出至水面以外的空氣中，它的頭部能夠迅速、自如的在水中和空氣中來回切換。這意味著海豚頭部具有能夠滿足水和空氣之間阻抗匹配的結(jié)構(gòu)。受到海豚的生物聲吶特性啟發(fā)，結(jié)合海豚聲學(xué)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的聲阻抗函數(shù)和超材料設(shè)計(jì)，廈門大學(xué)張宇教授課題組[85]構(gòu)建了一種寬頻仿生超凝膠阻抗匹配器(見圖13)，圖13(b)給出了該寬頻仿生超材料阻抗匹配器(BMIT)和四分之一波長阻抗匹配器(QIT)的透射系數(shù)的理論結(jié)果和數(shù)值仿真結(jié)果。該團(tuán)隊(duì)開展水下超聲探測實(shí)驗(yàn)，將超材料結(jié)構(gòu)嵌入至水凝膠基體中(見圖14)，實(shí)現(xiàn)仿生聲學(xué)超材料阻抗匹配器的阻抗?jié)u變特性。該超材料突破傳統(tǒng)四分之一波長阻抗匹配器的波長與長度之間的依賴性，能夠利用小尺寸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)寬帶聲傳輸與探測，為下一代寬帶器件設(shè)計(jì)開辟了新途徑。

圖13 基于海豚頭顱結(jié)構(gòu)的寬頻仿生聲學(xué)超材料阻抗匹配器 (a)超材料阻抗匹配器示意圖；(b)仿生超材料阻抗匹配器和四分之一波長阻抗匹配器的頻率響應(yīng)比較[85]

圖14 六角形鋼瓶陣列自組裝水凝膠的仿生聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)及其實(shí)驗(yàn)裝置[85]

3 結(jié)語與展望

本文綜述了過去十多年來仿生聲學(xué)超材料在空氣/流體動(dòng)力學(xué)噪聲控制技術(shù)及聲波控制方面的發(fā)展。借鑒安靜型鳥類羽毛及結(jié)構(gòu)、魚類皮膚等的仿生學(xué)耦合特性，利用非光滑邊緣結(jié)構(gòu)或者非光滑表面的仿生聲學(xué)超材料實(shí)現(xiàn)在空氣動(dòng)力學(xué)或流體動(dòng)力學(xué)方面減阻降噪的研究時(shí)間較長、發(fā)展迅速，在機(jī)翼/葉片尾緣和前緣、螺旋槳、高速列車車身等減阻降噪方面開展了大量的研究工作，成果豐碩，一些研究成果已經(jīng)推廣至工程應(yīng)用，但仿生學(xué)降噪理論與實(shí)際工程應(yīng)用二者之間仍存在一定差距，仿生學(xué)降噪機(jī)理仍處于學(xué)術(shù)探索階段。由于聲學(xué)超材料具有天然材料所不具備的特殊物理性質(zhì)，有望利用小尺寸控制低頻聲波。研究人員借鑒人類耳蝸具有小尺寸捕獲低頻寬帶聲波的優(yōu)勢，利用耳蝸仿生聲學(xué)超材料實(shí)現(xiàn)了低頻寬帶聲波控制。借鑒海豚頭部能夠適應(yīng)水和空氣二者巨大阻抗差異的特點(diǎn)，研究人員設(shè)計(jì)了寬頻仿生聲學(xué)超材料阻抗匹配器。隨著材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化設(shè)計(jì)和3D打印增材制造加工技術(shù)的發(fā)展，仿生聲學(xué)超材料在低頻聲波控制、聲波寬帶工作、以及水下應(yīng)用等方面的研究具有非常廣闊的發(fā)展前景，還有待于進(jìn)一步深入挖掘和探索。