新型耳蝸仿生聲學超常材料

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新型耳蝸仿生聲學超常材料

耳蝸是人類聽覺系統的重要器官，其基底膜對聲音信號具有很強的選擇性。Helmholtz認為，附著在耳蝸基底膜上的纖維可以完成對聲音信號的感知：靠近耳蝸底部處對高頻聲音較為敏感，而靠近耳蝸頂部處則對低頻部分較為敏感，這個理論被科學家們稱為“Place Theory”。傳統的仿生聲學超常材料和聲學功能器件的設計，利用耳蝸的這種結構特性進行簡化改進，但設計結構參數復雜，不易控制。

近期，西安交通大學的學者基于哺乳動物耳蝸原型提出了一種的設計方法，該方法以一種簡化參數的螺旋結構來代替實際中為仿生學設計的不規則耳蝸結構。由于耳蝸實際結構與截面積規則變化的螺旋結構很相似，他們將人類的耳蝸簡化成一個旋轉2.7周的螺旋結構，整個耳蝸長度為32 mm，基底膜頂部和底部的厚度分別為10μm和30μm，寬度為100μm和500μm，該螺旋結構頂部最小自然頻率為89.3 Hz，而結構中間和底部的自然頻率分別為5000.5 Hz和10097.2 Hz。

基于仿生參數螺旋結構的計算結果表明，整個耳蝸實現了一個具有負動態有效質量特性的局部共振系統。該模型結構有效地克服了錐形結構不能反映螺旋結構特性的弊端，并且在實際應用中可以靈活的控制設計參數，在寬帶能量恢復設備、耳蝸移植、聲學黑洞等方面，這種設計方法具有很廣闊的應用前景。

（劉金麟編譯自MA F，WU J H，HUANG M，et al.Cochlear bionic acoustic metamaterials［J］. Appl.Phys.Lett.，2014，105（21）：213702-213701-203702-213705.）