仿生聲學超材料的聲波控制及水下應用研究進展

王兆宏,羅怡坤,楚楊陽

(1.西安交通大學電子科學與工程學院，電子物理與器件教育部重點實驗室，多功能材料與結構教育部重點實驗室，西安 710049；2.鄭州輕工業大學軟件學院,鄭州 450001)

0 引 言

聲學超材料作為一種新型的人工結構，通過對傳統材料進行加工組合等設計，擁有了天然材料所不具備的超常物理性質。比如在宏觀系統中呈現特殊的等效物理性質：各向異性、負密度、負彈性模量、負折射等。通過人工設計的微結構可以調控聲學超材料的能帶色散關系，從而改變聲波的激發和傳播，并能夠產生突破衍射極限的分辨率。因此，聲學超材料極大地拓寬了傳統聲學材料的概念，為小尺寸實現低頻吸聲、隔聲、減振、隱身等聲波控制提供了新的思路。

仿生學的概念于1960年被提出，被廣泛應用于航海、航空、航天、農業、電子、自動控制和衛星導航等諸多領域，它是生物學、數學、力學和工程技術學等學科相互滲透而結合成的新興的交叉科學。仿生學是通過研究和借鑒生物系統的結構、功能、能量轉換、信息控制等各種優異的特征和原理，為設計和制造新的技術設備提供了類似于生物系統特征的新原理、新方法和新途徑。仿生思維一直伴隨著人類文明發展的進程，已經在許多科學研究和應用領域取得了突出成績，產生了很多推動人類進步的發明創造。例如，模仿草葉邊緣鋸齒的鋸、模仿蝙蝠超生定位的雷達、模仿蒼蠅復眼的蠅眼航空照相機、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]。

結合仿生學原理，聲學超材料在空氣動力學及流體動力學噪聲控制領域取得了卓越的成就[3-4]，并進行了借鑒仿生學思想的波束控制研究，為低頻聲波控制、水下應用等聲學應用提供了參考。因此，仿生聲學超材料在噪聲控制、聲學通信、目標探測、生物醫療等領域具有十分廣闊的應用前景。

1 仿生聲學超材料在空氣及流體動力學領域的研究狀況

飛機、列車、汽車、螺旋槳、管道、潛艇和船只等在運行過程中涉及空氣動力噪聲或者流體動力噪聲。以螺旋槳為例，其在運行的過程中，由于帶動介質(比如：空氣、水)流動，將產生噪聲。以高速運轉的列車為例，當列車速度以大于300 km/h的速度運行時，空氣動力噪聲將成為主要噪聲源[5-6]。噪聲嚴重制約了設備的性能發揮和舒適性品質，已成為目前環境污染控制的主要問題之一。因此，降低空氣/流體動力學噪聲是流體機械設計的關鍵技術。

1.1 流體控制理論

對于運動環境的介質是連續的，介質是由流體質點組成的，質點又被稱為微團，微團包含足夠的分子，另外表征流體屬性的其他物理量在流體連續運動方程中時間和空間都是單值連續可微的。在該前提下，可以運用基本控制方程來研究流體的運動規律，流體控制方程是描述運動中流體各變量之間的關系。運動中的流體遵循三大基本守恒定律：質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。

質量守恒意味著單位時間內流體微團中質量的增加等于同一時間間隔內流入該微團內的凈質量，在笛卡兒坐標系下質量守恒方程的微分形式為:

(1)

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

流體運動中的動量守恒定律稱為Navier-Stoke方程(通常被稱為N-S方程)，意味著微團內流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微團上的各力之和，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為質量力在i方向上的分量；τij為黏性應力張量，xj為坐標系單位分量。

能量守恒方程可以描述為微團中能量的增加率等于進入微團的凈熱量加上體積力與面力對微團所做的功。流體總能量E包括內能、動能和勢能。表達式為：

(3)

式中：T為溫度；cp為比熱容；k為傳熱系數；ST為黏性耗散。

流體動力學噪聲由流體流動產生，流體的應力張量為：

γij=-σij+δijp

(4)

(5)

式中：γij為黏性應力張量；σij為黏性應力張量分量；δij為單位張量(當i=j時δij=1，否則為0)；μ為平均運動黏性系數。

根據表達式(4)和(5)以及質量守恒方程和N-S方程，得到Lighthill聲傳播基本方程為

(6)

(7)

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

后來，Ffowcs Williams和Hawkings進一步考慮了旋轉壁面的情況并將廣義格林函數法應用至帶有任意流動固體邊界的Lighthill聲學理論中，得到了著名的Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H)方程：

(8)

FW-H方程適用于空氣動力學及流體動力學領域[7-8]。通常借助上述理論，對仿生聲學超材料的空氣動力學及流體動力學的噪聲特性進行數值分析，旨在揭示基于仿生聲學超材料結構的動力學噪聲控制機理。

1.2 基于仿生聲學超材料的空氣/流體動力學降噪技術研究現狀

自然界動物經過幾百萬年乃至上千萬年的生存競爭和進化，許多飛行類動物形成了卓越的飛行本領。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是由于它的翅膀和羽毛有消聲作用，將其原理與聲學超材料相結合就形成了氣動聲學領域特有的仿生聲學超材料的氣動噪聲降低研究方向。通過對鸮類和鯊魚類等高速運動過程中靜音動物的降噪功能的研究，發現它們具有一定的非光滑形態表面，這種非光滑的動物體表面，能夠減小動物在運動過程中與介質摩擦所發出的噪聲，這表明噪聲大小與生物體表的非光滑形態密切相關。通過大量的相關研究發現，仿生非光滑結構降噪技術按表面形態特征主要分為兩種[9-11]：(1)邊緣非光滑結構降噪；(2)非光滑表面降噪。目前,帶有仿生結構的用于氣動噪聲降低的聲學超材料研究比較活躍,并取得了一定的研究進展。

鸮作為一種典型的靜音飛行動物在仿生學領域備受關注。1991年，Howe等報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果[10-11]，并構建了鋸齒尾緣降噪的預測模型。經過大量的研究工作發現，鸮的低噪聲飛行特性除了鸮翼表面及構形的影響因素之外，還與其胸腹部表面與皮膚等的耦合降噪結構密切相關。1972年，Kroeger等[12]通過實驗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設計中的工程實現性；通過讓經過訓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的噪聲，再對比剪去其翅膀前緣梳狀結構的初級羽毛和尾緣流蘇結構的曳尾羽毛之后的飛行噪聲，發現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烈，而且會影響其飛行穩定性。2007年，Bachmann等[13]詳細分析了貓頭鷹和鴿子翅膀羽毛的形態特征，如圖1所示。貓頭鷹的羽毛前緣形成梳狀鋸齒狀，每個鋸齒是由單個倒鉤的尖端形成的，鋸齒的形狀都是彎曲的，其尖端指向羽毛的近端(見圖1(a))；每個鋸齒向背側彎曲，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域的結構區別，貓頭鷹羽毛呈現天鵝絨狀結構，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，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行了實驗研究，實驗測試結果表明：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。該報道測量了完全真實的飛行狀態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,減少飛行過程相應頻段聲波的產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]

吉林大學地面機械仿生技術教育部重點實驗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行仿生研究，并與雉雞和鴿子進行對比分析。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頻段的吸聲系數最大可達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，構成了多層次的形態與結構耦合吸聲系統；與不存在這種耦合特征的單一結構(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系，比如：羽翅耦合、皮毛耦合等實現的，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現的。吉林大學任露泉教授課題組經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或者兩個以上的不同體系包括特征、系統等通過相互協同作用，即耦合方式聯合起來形成的具備多種特定生物功能，從而實現對外部環境的最佳適應性的生物實體的一種自然現象。耦合仿生是將兩種以上的仿生體系特征、系統耦合，從而構建成以低能耗獲取最大環境適應性為特征的人工技術集成系統。根據長耳鸮的胸腹部皮膚和覆羽生物耦合吸聲降噪特征，進行耦合仿生類比：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成的吸聲結構，構建的仿生耦合吸聲超材料結構模型如圖2所示，該超材料結構在1 kHz以上具有一定的吸聲效果。研究雕鸮羽毛最外側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溝與脊的條紋結構(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機葉片表面，在軸流風機葉片的前緣和后緣設置鋸齒形態，條紋狀結構置于軸流風機葉片正壓力面，并使條紋結構呈等間距的同心環狀排列。仿生耦合軸流風機在1 000 r/min、1 100 r/min、1 200 r/min、1 300 r/min、1 400 r/min轉速下的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,西安交通大學劉小民教授課題組[19]研究了仿鸮翼葉片尾緣的軸流風機葉片，表1給出了他們數值模擬的原型風機(見圖3(d))及仿生耦合風機(葉片見圖3(e))對比數據，可以看出仿生耦合葉片在最大流量時整體降噪幅度為2 dB，且風量提升了4.69%。

圖2 一種仿生耦合吸聲超材料結構[18]

圖3 鸮的羽毛和基于此思想構建的耦合仿生軸流電機[18-19]

表1 原型風機和仿生風機的數值模擬對比

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系共同決定的，但是大量研究者認為，其中的尾緣鋸齒是最為有效的降噪方法，因此借鑒該思想設計機翼的報道較多[20-32]。基于貓頭鷹的耦合仿生思想，2020年Liu等[20]研究了不同仿生機翼尾緣鋸齒結構的降噪幅度，研究結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構的帶有尾緣鋸齒的三維機翼模型。

圖4 基于貓頭鷹的帶有尾緣鋸齒的耦合仿生三維機翼模型[20]

模仿座頭鯨鰭肢前緣凸起的波浪狀前緣結構也得到了人們的關注。Fish等[33]首次發表了座頭鯨鰭肢前緣凸起結構的流體動力學性能研究。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/波浪形的仿生聲學超材料結構。表2列舉了近年來針對前緣鋸齒/波浪形仿生學結構降低空氣/流體動力噪聲的主要研究工作[3,34,54-55]。

圖5 借鑒前緣結構/波浪形的仿生聲學超材料結構[3,37]

表2 仿生學波浪形前緣仿生聲學超材料降低空氣動力學/流體動力噪聲研究

除采用非光滑邊緣的仿生聲學超材料結構進行空氣動力及流體動力噪聲降低之外，生物學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構等的仿生聲學超材料也被提出。比如利用鯊魚皮鱗片上排列有近似V型溝槽結構的仿生設計思想，構建有源或無源聲學超材料實現流阻降噪[56-57]。目前，我國研究人員大量報道了飛速發展的高速列車不同部位利用仿生聲學超材料非光滑表面情況下對氣動噪聲的影響[58-68]。將具有周期性球形溝槽的仿生聲學超材料結構用于機車的車身表面特定位置(見圖6)，為了控制氣動噪聲，分析了仿生超表面的壁面吸力和滑移效應。當流體流經機車車身的槽體表面時，由于內部槽體周圍順時針方向的壓差而產生壁面吸力效應。車身尾渦區域減小，壁面脈動壓力減小，邊界層逆壓減輕。另一方面，在凹槽對應的界面處產生了與流動方向一致的滑移速度，導致邊界層內速度梯度和邊界層厚度減小。理想情況下，通過調整溝槽參數，比如溝槽深度和半徑等，當滑移速度增加到流動速度時，邊界層可以消失。總體而言，壁面吸力滑移效應從根本上阻止了邊界層的產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構的研究，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行了研究，凹坑形非光滑仿生結構在空氣中減阻降噪的最好實例是在高爾夫球上的應用。高爾夫球飛行的前方有一高壓區,氣流在球表面形成薄薄的邊界層,空氣流經球的后方時,邊界層與球體分離,在球的后方產生一個湍流尾流區。湍流的擾動導致球體后區壓力較低,尾流區越大,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生大的尾流區凹坑，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,增加球后方的壓力,從而使球飛得較遠，噪聲也更低。利用凹坑形仿生超材料結構降噪的原理在汽車后視鏡表面布置了凹坑結構(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噪聲的影響進行了氣動噪聲數值模擬研究，結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理，Dai等[70]采用大規模并行網格及大渦模擬數值方法對凹坑形仿生葉片式離心泵的內部流場結構與聲學性能進行了探究，驗證了凹坑形仿生結構對離心泵具有一定的降噪能力，同時在機理上對其減阻降噪特性進行了分析。

圖6 周期性球形溝槽的仿生聲學超材料[58]

圖7 汽車后視鏡結構示意圖[69]

仿生學結合聲學超材料技術已經在空氣動力學及流體動力學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用。2018年，西北工業大學喬渭陽教授課題組[3]綜述并分析了目前仿生超材料氣動噪聲控制存在的主要問題及未來的研究重點和發展方向，這些仍然是未來需要解決的瓶頸問題和重點發展方向。

2 仿生聲學超材料在低頻聲波控制及水聲學領域的研究狀況

聲波的頻率越低，波長越長，能量傳輸的距離越遠，因此利用小尺寸控制低頻聲波的難度非常大。由于聲學超材料擁有天然材料所不具備的超常物理性質，比如：各向異性、負密度、負彈性模量、負折射等。因此，聲學超材料極大地拓寬了傳統聲學材料的概念，被認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方面借鑒仿生學的思想，結合仿生學和聲學超材料的共同優勢開展了低頻聲波控制及水聲學的相關研究。鑒于目前相關的研究報道較少，因此，以下將介紹相關領域報道較為集中的代表性工作。

2.1 仿生聲學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)是一個耳蝸及基底膜的結構，螺旋結構的基底膜的外輪廓主要接收頻率高至20 000 Hz的聲波，基底膜螺旋結構的內輪廓主要接收頻率低至20 Hz的聲波。圖8(b)是一個豚鼠耳蝸基底膜的掃描電鏡照片，顯示了外毛細胞及其纖毛束，可以看出這是聲學超材料結構。西安交通大學吳九匯教授課題組[76-77]在對耳蝸研究的基礎上，構建了仿生聲學超材料并進行聲學特性研究。圖9(a)所示的由半個橢圓形和半個圓形結構拼接而成的耳蝸仿生螺旋聲學超材料，耳蝸螺旋頂側的起始半徑為2 mm，底部終點的半徑為4 mm，螺旋圈數為2.7，螺旋總長度為32 mm，該螺旋仿生聲學超材料具有負剛度和負質量的雙負特性。從圖9(b)中可以看出，螺旋結構的頂部圓環位置最小自然頻率為89.3 Hz；從圖9(c)中可以看出，螺旋結構的中部圓環位置的自然頻率為5 000.5 Hz；從圖9(d)中可以看出，底部圓環的自然頻率是10 097.2 Hz。從理論上講，該耳蝸仿生聲學超材料如果用作能量回收裝置，可以獲得連續的寬帶共振峰，在可聽頻帶內的振動和聲音所產生的能量都可以被回收。該結構可以通過靈活地控制設計參數，在寬帶能量恢復設備、耳蝸移植、聲學黑洞等方面具有廣闊的應用前景。該課題組[77]還提出了一種毫米量級長度的周期性外毛細胞結構，這種仿生外毛細胞超材料結構的基本單元如圖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方形彈性橡膠膜，方形彈性橡膠膜再與包含兩個錐形過渡段的橡膠圓筒相連，橡膠圓筒可視為纖毛細根，橡膠圓柱另一端再連接一個方形彈性橡膠膜，最后連接一個塑料墊圈；上下兩個方形彈性橡膠膜采用同樣的材料和結構參數。該仿生聲學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，平均聲傳輸損耗約為70 dB，具有良好的低頻隔聲性能。這種仿生聲學超材料的設計構想對于輕量化結構實現低頻隔聲、低頻減振降噪等具有重要的參考價值。

圖8 耳蝸及其掃描電鏡照片[76]

圖9 螺旋仿生聲學超材料[76]

圖10 仿生耳蝸毛細胞單元及其構建的仿生聲學超材料的聲傳輸損耗曲線[77]

2.2 仿生聲學超材料在水下應用方面的研究

海豚進化出了一套復雜的生物聲吶系統來適應水下環境[78-81]，它可以通過鼻系統中的猴唇/背囊復合體產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軟阻抗匹配系統，可以將寬帶信號傳輸到水中。廈門大學張宇教授課題組研究了海豚的生物聲吶特性[78,81]，研究結果表明：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、肌肉和結締組織以典型的順序堆疊在一起，從而產生一定的聲阻抗分布。脂肪組織構成前額最內層，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；結締組織具有最高的聲阻抗和類似一個復雜的角狀結構在后前額。這些組織共同作用產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整前額，使其組織變形，實現聲指向性的操縱[82]。圖11(a)給出了海豚頭部的CT三維重建和組織樣本結構，圖11(b)顯示海豚頭部矢狀橫斷面的CT圖像(側視圖)，阿拉伯數字表示橫截面的位置順序。他們通過實驗測量中華白海豚額隆區域不同部位的平均聲速值，重建獲得中華白海豚頭部各個組織的三維聲速分布[83]。基于海豚生物聲吶系統CT掃描圖，設計了一種具有高指向性的仿生聲學超材料投射儀結構[84]，如圖12所示，該投射儀包括一個有邊界的漸變折射率(GRIN)材料、空腔和鋼結構，操縱全方向的聲波成為一個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個數量級，帶寬范圍較寬。這種仿生聲學超材料的結構設計為亞波長尺寸水下聲吶、醫療超聲以及相應的聲學應用提供了良好的設計思路。

圖11 中華白海豚頭部的CT圖像[83]

圖12 仿生聲學超材料投射儀[84]

由于海水和空氣之間的阻抗差異巨大，對于水下應用而言，實現能夠滿足海水與空氣間阻抗匹配的可工程應用的小尺寸結構至關重要。海豚不僅具有良好的水中航行能力，而且經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構。受到海豚的生物聲吶特性啟發，結合海豚聲學結構對應的聲阻抗函數和超材料設計，廈門大學張宇教授課題組[85]構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)的透射系數的理論結果和數值仿真結果。該團隊開展水下超聲探測實驗，將超材料結構嵌入至水凝膠基體中(見圖14)，實現仿生聲學超材料阻抗匹配器的阻抗漸變特性。該超材料突破傳統四分之一波長阻抗匹配器的波長與長度之間的依賴性，能夠利用小尺寸結構實現寬帶聲傳輸與探測，為下一代寬帶器件設計開辟了新途徑。

圖13 基于海豚頭顱結構的寬頻仿生聲學超材料阻抗匹配器 (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比較[85]

圖14 六角形鋼瓶陣列自組裝水凝膠的仿生聲學超材料結構及其實驗裝置[85]

3 結語與展望

本文綜述了過去十多年來仿生聲學超材料在空氣/流體動力學噪聲控制技術及聲波控制方面的發展。借鑒安靜型鳥類羽毛及結構、魚類皮膚等的仿生學耦合特性，利用非光滑邊緣結構或者非光滑表面的仿生聲學超材料實現在空氣動力學或流體動力學方面減阻降噪的研究時間較長、發展迅速，在機翼/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，一些研究成果已經推廣至工程應用，但仿生學降噪理論與實際工程應用二者之間仍存在一定差距，仿生學降噪機理仍處于學術探索階段。由于聲學超材料具有天然材料所不具備的特殊物理性質，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勢，利用耳蝸仿生聲學超材料實現了低頻寬帶聲波控制。借鑒海豚頭部能夠適應水和空氣二者巨大阻抗差異的特點，研究人員設計了寬頻仿生聲學超材料阻抗匹配器。隨著材料-結構-功能一體化設計和3D打印增材制造加工技術的發展，仿生聲學超材料在低頻聲波控制、聲波寬帶工作、以及水下應用等方面的研究具有非常廣闊的發展前景，還有待于進一步深入挖掘和探索。