在自然界漫長的生存競爭中，大自然似乎更偏愛螺旋狀的卷曲結構。小到決定生命形態的DNA，乃至螺旋藻類、蝸牛等生物無一例外都是螺旋結構。隨著人類文明的發展，螺旋仿生結構被應用到了生活實踐中，如樓梯、盤山公路等，不僅能減緩坡度，還能節約空間。近年來，聲學超表面結構的發展使得將螺旋型吸聲結構應用到實際中實現低頻吸聲成為可能。
圖1 生物螺旋與螺旋樓梯
近日，張晗副研究員項目組在生物螺旋結構的啟發下，圍繞水下低頻吸聲難以實現的科學問題，攻克傳統水下吸聲材料在低頻區域吸聲性能差且笨重的應用難題。項目組在此前提出手性螺旋功能基元的基礎上完成了雙螺旋高階鏡像拼接的復合功能基元設計，徹底打破基元結構對稱性，進一步獲得了更高性能的水下低頻吸聲超表面，工作發表在國際期刊Extreme Mechanics Letters。文章題為 “Reconfigurable spiral underwater sound-absorbing metasurfaces”,以手性螺旋的構型參數和雙螺旋序列的拼接方式為切入點，基于廣義Snell定律的聲超表面波控設計方法，通過增長螺旋、高階螺旋、順向拼接雙螺旋、鏡像拼接雙螺旋逐步破壞序元空間對稱性，達到了原有手性螺旋基元不能實現的更加低頻寬帶的完美吸聲效果，為高性能水下聲隱身提供了新機理、新途徑。該研究工作得到了國家自然科學基金、廣東省“珠江人才計劃”引進創新創業團隊項目的支持。
螺旋吸聲器的模型
首先介紹了吸聲器螺旋單元結構。螺旋吸聲單元由空心圓柱和纏繞在其四周的螺旋路徑組成。將設計好的螺旋吸聲器放入波導進行吸聲特性研究，波導的兩端是開放的且均為平面波輻射邊界條件，所有邊界在聲學上設置為剛性，聲波從左側入射。聲波在螺旋單元的入口基于廣義Snell定律相位調控被完成吸收，在出口又由于聲阻抗失配被完全阻擋，實現近乎完美的寬頻吸聲。
圖2所示為螺旋吸聲器的模型。(a)將螺旋單元置于波導中;(b)螺旋裝置的內部結構；（c）聲波在螺旋單元入口處的波傳輸行為反/折射示意圖。
螺旋長度的影響
進一步計算了單螺旋的代表性長度參數的吸聲特性，通過增長螺旋路徑的有效長度，實現寬范圍內吸收區域的靈活降低。聲壓聲速分布圖表明螺旋單元在吸聲峰值頻率處，透射聲壓幾乎降低到零，達到完美吸聲。隨著螺旋長度的增加，首個完美吸聲峰值的頻率從5.7kHz降低到3.1kHz，驗證了螺旋單元吸聲頻率隨路徑長度可調。聲壓在螺旋內部的軌道和空心圓柱體的開口處較高，其中最集中的區域位于螺旋路徑的入口，表明吸聲效果主要取決于螺旋路徑，而空心圓柱體起到輔助耦合的作用。
圖3為不同螺旋長度對吸收系數的影響。(a)有限元計算模型示意圖;(b)長度為455mm的螺旋單元在3.1 kHz、3.8 kHz和5.1 kHz處的聲壓和速度分布截面。顏色表示聲壓分布，白色線表示聲速分布;(c)-(f)螺旋長度依次為336mm、366 mm、399 mm、455 mm的吸聲系數曲線。
螺旋路徑階數的影響
高階螺旋的路徑比上述單螺旋的路徑復雜，這不可避免地進一步破壞結果對稱性，增加聲波傳輸相位的復雜性，在結果上相當于螺旋等效長度增長。進一步，顯示了螺旋路徑階數升序對吸聲特性的影響。N階螺旋由纏繞在中心圓柱體上的n個螺旋路徑組成，分別設計了三個尺寸相同但螺旋路徑階數遞增的螺旋單元。研究發現，增加螺旋路徑階數將降低吸聲頻率，例如6階吸聲頻率為2.7kHz，比2階降低728Hz。因此，通過設計螺旋路徑階數來降低吸聲頻率仍然是一種可靠的方法。
圖4所示。不同螺旋路徑階數對吸收系數的影響。(a) 2、4、6級螺旋的模型圖;(b)6階螺旋在2.7 kHz、3.35 kHz及4.5 kHz聲壓及速度分布剖視圖;(c)-(e)這三個不同階次單元的水下吸聲曲線。
螺旋拼接方式的影響
越曲折的傳輸路徑越會導致相位的急劇變化，這意味著可以通過改變螺旋路徑曲折度控制吸聲特性。我們分別沿相同方向和鏡像方向拼接第二個相同長度的螺旋。兩個螺旋單元的最低吸聲頻率相同均為1.405kHz，而相同方向拼接的螺旋結構吸聲帶寬要比鏡面拼接結構的吸聲帶寬寬500Hz。從聲壓分布圖中可以觀察到，鏡面結構導致拼接處的相位突變，從而耗散了大量的聲能。結果表明，路徑長度是影響最低吸聲頻率的參數，而螺旋拼接方法僅影響帶寬。
圖5所示。螺旋路徑不同拼接方式對吸收系數的影響。(a)同向、鏡面拼接的螺旋結構模型;(b)兩個拼接螺旋單元在各自吸收峰處的聲壓和速度分布圖。顏色代表聲壓，白線代表聲速;(c) -(d)兩個剪接模型的吸聲系數曲線。
本工作基于廣義Snell定律，通過逐步破壞仿生雙螺旋結構序元空間對稱性，達到了原有螺旋基元不能實現的低頻寬帶完美吸聲效果。通過增長螺旋、高階螺旋、順向拼接雙螺旋、鏡像拼接雙螺旋等方式對該雙螺旋吸聲結構吸聲特性的影響規律進行了研究，驗證了其在水下低頻寬帶的完美吸聲特性和吸聲頻率可調性。這項工作大大減小了吸聲裝置的側向厚度，同時將吸聲效率保持在等效長直管的水平，增加了實際應用的可操作性。這樣的結構在設計超薄且吸聲頻率可廣泛調節的低頻寬帶水下吸聲結構具有巨大的應用潛力。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352431621001115
