仿生功能材料授課教師2第五章仿生聲學材料第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)

聲學與聲學材料基礎

仿生吸聲與隔聲材料方向敏感仿生聲學材料仿生功能材料一、聲波的基本性質(zhì)（一）聲波的產(chǎn)生及傳播第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料聲音最初是指人耳聽覺所能覺察的空氣中傳播的振動現(xiàn)象，頻率在20Hz-20kHz之間。聲音是由物體振動產(chǎn)生的聲波，是通過介質(zhì)（空氣或固體、液體）傳播并能被人或動物聽覺器官所感知的波動現(xiàn)象。傳遞介質(zhì)也包括物質(zhì)各態(tài)，不僅僅局限于空氣，可以是液體或固體，可以是彈性介質(zhì)，也可以是非彈性介質(zhì)。聲波本質(zhì)上是物質(zhì)波，是在彈性介質(zhì)中傳播的壓力、應力、質(zhì)點運動等的一種或多種變化，是一種機械擾動在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)物質(zhì)中傳播的現(xiàn)象。一、聲波的基本性質(zhì)（二）聲波的基本特征第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料

描述包括聲波在內(nèi)的任何一種波的基本要素是其頻率、波長、振幅、相位、聲壓、聲強、聲級、響度。

頻率（f）是指單位時間內(nèi)波的振動次數(shù)，單位為赫茲（簡稱赫，或以符號表示為Hz）。頻率的倒數(shù)就是振動一次所需時間，稱為周期，單位為秒（s）。波長（λ）是指在聲波傳播途徑上，兩相鄰同相位質(zhì)點之間的距離，單位為米（m）。相位（φ）是時間特性的反映，代表一個周期運動的波形，當前時刻在一個周期內(nèi)的位置，單位為度（°）。振幅（A）是指振動著的某個物理量（如密度、壓力、粒子運動速度等）偏離其平均值的最大量值，單位自然就是這個物理量本身的單位，波形就是波的具體形狀?！跋辔弧奔床ㄔ谝欢〞r刻的振動狀態(tài)或“位置”。一、聲波的基本性質(zhì)（二）聲波的基本特征第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料

聲壓（P）是聲波存在時作用在單位面積上的壓力，單位是帕。聲波的強度是由它攜帶的能量決定的。在與聲傳播方向垂直的面上，畫一個1cm2的小方框，每1s通過這個小方框的能量就是聲波的聲強（I）。對平面波來說聲壓（P）與聲強（I）的關(guān)系是

聲級指與人們對聲音強弱的主觀感覺相一致的物理量，單位為dB（dB），其數(shù)值因所用的計權(quán)網(wǎng)絡而異。0dB是可聞聲的起點，安靜房間聲級大約為30dB，正常對話為50dB，嘈雜馬路為80dB，發(fā)電機聲級為100dB，電鋸聲為120dB。

響度，又稱音量。人耳感受到的聲音強弱，它是人對聲音大小的一個主觀感覺量。一、聲波的基本性質(zhì)（三）聲波的分類第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料

按照頻率的不同，將頻率在20Hz-20KHz之間的，能引起聽覺的機械波，稱為聲波。將頻率低于20Hz的機械波稱為次聲波。將頻率高于20KHz的機械波稱為超聲波。

按照介質(zhì)中質(zhì)點與聲波傳播方向的不同，將介質(zhì)中質(zhì)點沿傳播方向運動的波，稱為縱波。將介質(zhì)中質(zhì)點都垂直于傳播方向運動的波，稱為橫波。將沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，幅值隨著深度而迅速減弱的波，稱為表面波。

按照波陣面幾何形狀，將波陣面為平面且與傳播方向垂直的波，稱為平面聲波。將波陣面為同軸柱面的波，稱為柱面聲波。將波陣面為同心球面的波，稱為球面聲波。球面聲波又可為各向均勻的球面聲波和一般球面聲波。二、聲學材料的基本性質(zhì)第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料

從物理視角來看，聲波作為一種彈性波，必須依托介質(zhì)進行產(chǎn)生并傳播。聲學材料，從原理上講是將彈性波的機械能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的內(nèi)能，以此來消耗和減弱聲波。

用于表征聲學材料性質(zhì)的常用參數(shù)為阻尼和聲阻抗。阻尼是指聲波在傳播過程中能量損失的現(xiàn)象，其單位為Pa·s。聲阻抗，指媒質(zhì)在波陣面某個面積上的壓強與通過這個面積的體積速度的復數(shù)比值。聲阻抗單位是瑞利，國際單位則是g/（cm2·s）或kg/（m2·s）。

隨著聲學材料的誕生與發(fā)展，聲學材料產(chǎn)生了許多新的奇異性質(zhì)。聲學材料基于亞波長結(jié)構(gòu)設計產(chǎn)生的物理效應，主要包括低頻帶隙、超常吸聲、負折射及表面反常效應等性質(zhì)。用于表征聲學材料性質(zhì)的主要參數(shù)為負質(zhì)量密度、負彈性模量和負折射。三、聲子晶體第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料

聲子晶體是體彈模量和質(zhì)量密度周期性調(diào)制的人工結(jié)構(gòu)復合材料。其應用前景廣泛，例如在隔音材料、熱管理、濾波器設計等領(lǐng)域都有潛在的應用價值。

彈性波在聲子晶體中傳播時，受到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，在一定頻率范圍內(nèi)被阻止傳播，這個頻率范圍被稱為帶隙。研究認為，聲子晶體帶隙產(chǎn)生的機理有兩種：布拉格（Bragg）散射型和局域共振型。影響B(tài)ragg散射型聲子晶體振動帶隙特性的因素包括：組元材料的密度、彈性模量等；結(jié)構(gòu)的晶格形式、尺寸大小及填充率等。三、聲子晶體（一）聲子晶體的Bragg散射機理第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料

彈性波在聲子晶體中傳播時，受其內(nèi)部周期結(jié)構(gòu)的作用，形成特殊的色散關(guān)系（能帶結(jié)構(gòu)），色散關(guān)系曲線之間的頻率范圍稱為帶隙。圖1為二維聲子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，圖1中陰影所示為帶隙。圖1二維聲子晶體的能帶結(jié)構(gòu)聲子晶體按其周期結(jié)構(gòu)的維數(shù)可分為一維、二維和三維，其典型結(jié)構(gòu)圖2（a）和（b）所示，圖中的點線表示在周期方向的延拓，圖2（a）為一維結(jié)構(gòu)，圖2（b）和（c）分別為二維及三維結(jié)構(gòu)。圖2各維聲子晶體結(jié)構(gòu)示意圖

（a）一維聲子晶體；

（b）二維聲子晶體；

（c）三維聲子晶體。三、聲子晶體（一）聲子晶體的Bragg散射機理第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料為了區(qū)別于一維、二維理想聲子晶體，可將這類周期結(jié)構(gòu)稱為聲子晶體結(jié)構(gòu)。圖3所示給出了典型的聲子晶體梁板類結(jié)構(gòu)圖。圖3（a）為材料尺寸及截面尺寸均周期變化的聲子晶體梁結(jié)構(gòu)，圖3（b）為聲子晶體薄板結(jié)構(gòu)。研究表明，聲子晶體梁板類結(jié)構(gòu)同樣具有帶隙特性。圖3典型的聲子晶體梁板類結(jié)構(gòu)（a）一維聲子晶體梁結(jié)構(gòu)；

（b）二維聲子晶體板結(jié)構(gòu)。

局域共振型聲子晶體的概念最早于2000年由劉正猷在Science上提出，他們用硅橡膠包裹鉛球按照簡單立方晶格排列在環(huán)氧樹脂基體中，進行了相應的實驗。局域共振型聲子晶體的結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4局域共振型聲子晶體四、聲學材料的分類（一）傳統(tǒng)聲學材料第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料

聲學材料主要可以主要分類兩大類，即以多孔材料為核心的傳統(tǒng)聲學材料和以超構(gòu)材料為核心的新興聲學材料。

傳統(tǒng)聲學材料，可以主要分為三種，即多孔材料、微穿孔材料和復合材料。其中復合材料由前兩種材料復合而成，這里不再單獨介紹。四、聲學材料的分類第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料（1）多孔材料

多孔材料，依據(jù)其微結(jié)構(gòu)的不同幾何性狀，可以細分為纖維材料和泡沫材料；依據(jù)其基底材料的不同性質(zhì)，可以細分為無機多孔材料和有機多孔材料。這兩種分類方法的組合，形成了多孔材料細分的四大類（圖5）。（一）傳統(tǒng)聲學材料圖5多孔材料分類四、聲學材料的分類第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料

有機纖維材料的形成機制與玻璃棉類似，基底材料由玻璃改為了有機高分子材料，也就是塑料。有機纖維材料具有和紡織布料相同的特性，相較于無機纖維材料，有著優(yōu)異的力學性能，面密度低、韌性較好，不容易剝落粉化，且易于著色，可以直接作為室內(nèi)裝修的材料暴露在外。（一）傳統(tǒng)聲學材料圖6無機纖維材料

（a）玻璃棉橫截面照片；

（b）玻璃棉內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯微照片。四、聲學材料的分類第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料②泡沫類多孔材料有機泡沫吸聲材料（圖7），來自發(fā)泡塑料，如聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫等，由不同的發(fā)泡工藝制成。（一）傳統(tǒng)聲學材料圖7有機泡沫材料

（a）聚氨酯泡沫橫截面照片；（b）聚氨酯泡沫型材。四、聲學材料的分類第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料

金屬泡沫材料中聲學應用方向主要是泡沫鋁及其合金材料（圖8）。泡沫鋁具有優(yōu)異的物理性能、化學性能和力學性能以及可回收性。制備泡沫鋁的方法有多種，根據(jù)制備過程中鋁的狀態(tài)可以分為三大類：液相法、固相法、電沉積法。其中電沉積法制備的泡沫鋁具有良好的聲學性能。電沉積法是以泡沫塑料為基底，經(jīng)導電化處理后，電沉積鋁制成。用電沉積法生產(chǎn)的泡沫鋁具有孔徑小，孔隙均勻，孔隙率高等特點，其聲學性能和阻尼特性優(yōu)于其他方法生產(chǎn)的泡沫鋁。（一）傳統(tǒng)聲學材料圖8金屬泡沫材料

（a）通孔型泡沫鋁片材；（b）閉孔型泡沫鋁板材四、聲學材料的分類第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料（一）傳統(tǒng)聲學材料

（2）微穿孔材料微穿孔材料，即微穿孔板材料，其吸聲體通常由微穿孔板和背襯腔組成，微穿孔板表面具有亞毫米直徑的孔，可被視為多孔材料的一種特殊形式。與傳統(tǒng)泡沫和纖維多孔吸聲材料相比，它們具有良好的抗?jié)裥?、環(huán)境友好性以及可通過調(diào)整微穿孔板參數(shù)為預期頻率段量身定制的吸聲性能。四、聲學材料的分類第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料

具有可調(diào)機械擋板的可調(diào)吸聲頻率蜂窩微穿孔板具有良好的吸聲性能（圖9a），它包括上表面微穿孔板、蜂窩側(cè)壁、底板和內(nèi)部可調(diào)穿孔芯，該穿孔芯通過與剛性桿連接的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)具有可調(diào)擋板（圖9b），以所需角度旋轉(zhuǎn)這些擋板可增加噪聲吸收。與原始多孔金屬吸聲器相比，多孔金屬板的壓縮和微穿孔提供了更好的吸聲性能（圖9c）。在所有橫截面模態(tài)中，發(fā)散收斂穿孔具有更好的消聲性能，如圖9d所示。（一）傳統(tǒng)聲學材料圖9微穿孔板（a）可調(diào)吸聲頻率蜂窩結(jié)構(gòu)；（b）內(nèi)部可調(diào)穿孔結(jié)構(gòu)；（c）壓縮和微穿孔金屬板；（d）具有發(fā)散收斂圖案的印花穿孔。四、聲學材料的分類第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料

在未考慮板的振動效應下，微穿孔板的吸聲理論如圖10（a）所示。此結(jié)構(gòu)為共振吸聲結(jié)構(gòu)，原理是微孔中的空氣柱與背腔形成一系列的亥姆霍茲共振器（圖10（b）），入射聲波與微孔內(nèi)壁之間的摩擦導致熱能形式的能量耗散，從而達到吸聲的目的。（一）傳統(tǒng)聲學材料（a）

（b）

圖10微穿孔板的吸聲理論

（a）微穿孔板結(jié)構(gòu)示意圖

（b）亥姆霍茲共振器四、聲學材料的分類第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料

傳統(tǒng)多孔材料經(jīng)歷了近一個世紀的研究和應用在新時期出現(xiàn)了很多新的變化。（二）新興聲學材料另一個新的變化則是復合吸聲材料的大發(fā)展。復合吸聲材料從簡單的多層不同密度和性能的材料的簡單疊加，轉(zhuǎn)而向不同材料在同一吸聲層內(nèi)部的復合，配合數(shù)值模擬仿真、等效參數(shù)反演等技術(shù)大大提高了材料與介質(zhì)的阻抗匹配度，創(chuàng)造出了很多高吸聲系數(shù)的輕質(zhì)薄層復合吸聲材料。一個變化是綠色環(huán)保型材料逐漸回暖。從上世紀80年代開始，不斷有學者提出利用植物纖維，主要是回收木料、秸稈、棕櫚、軟木制成的多孔材料，配合新出現(xiàn)的防腐和防火等材料化工技術(shù)，來生產(chǎn)保溫吸聲材料。五、聲學材料的應用范圍第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料

在當今社會，噪聲幾乎與每個人的生產(chǎn)、生活密切相關(guān)，比如說環(huán)境噪聲的控制。這對居住環(huán)境、家用電器、交通工具等都提出了降噪要求。此外，艦艇、直升機、巡航彈等目標也需要降低噪聲輻射。聲學具有極強的交叉性和延伸性，它與材料、電子、通信、環(huán)境與海洋等現(xiàn)代科學技術(shù)的大部分學科發(fā)生了交叉，形成了豐富多彩的分支學科。根據(jù)不同的研究對象和使用的頻率范圍，現(xiàn)代聲學可分為物理聲學、聲人工結(jié)構(gòu)、水聲學和海洋聲學、結(jié)構(gòu)聲學、環(huán)境聲學、生物聲學、氣動聲學等分支。聲學的研究對象也從微納尺度的電子器件延伸到數(shù)千米的大氣、海洋、地球。六、仿生聲學材料的概念與特征（一）仿生聲學材料的概念第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料

仿生聲學材料，大多數(shù)是選擇生物作為仿生對象，基于生物體表的結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建相應的聲學材料結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)控制聲波傳遞的聲學功能特性的一類人工材料。

人們普遍認為，材料是在連續(xù)介質(zhì)中，周期或非周期地嵌入特殊的人工結(jié)構(gòu)單元，從而在亞波長頻段獲得與自然界中物質(zhì)迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新材料”。而在聲子晶體研究中，通過在連續(xù)介質(zhì)中嵌入亞波長的微結(jié)構(gòu)單元，周期性地調(diào)制彈性模量或質(zhì)量密度來控制彈性復合介質(zhì)中彈性波的傳播，即可得到聲學材料。因此，結(jié)合仿生聲學材料的特征、技術(shù)，基于仿生聲學材料的應用范圍與效果，可以將仿生聲學材料歸類為聲學材料的一種。六、仿生聲學材料的概念與特征（二）仿生聲學材料的特征第一節(jié)聲學與聲學材料基礎第五章仿生聲學材料仿生聲學材料可以在亞波長尺度上進行結(jié)構(gòu)單元設計。仿生聲學材料能夠?qū)崿F(xiàn)奇異物理特性的彈性波調(diào)控。在仿生聲學材料中，微結(jié)構(gòu)單元與基體介質(zhì)之間產(chǎn)生強烈的耦合作用，耦合作用使得入射彈性波時產(chǎn)生常規(guī)材料不能出現(xiàn)的奇特物理性質(zhì)，如負質(zhì)量密度、負彈性模量、負折射率、反常多普勒效應等。仿生聲學材料的設計模式，打破了傳統(tǒng)以化學成分設計調(diào)控材料性能的設計模式，轉(zhuǎn)而從材料結(jié)構(gòu)設計的角度出發(fā)，實現(xiàn)了材料的超常性能，展示出了潛在的工業(yè)應用。如降噪減振、聲無損檢測、醫(yī)學高分辨成像及水聲探測等領(lǐng)域。第二節(jié)仿生吸聲與隔聲材料第五章仿生聲學材料吸聲是指利用吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)，將入射的聲能吸收消耗掉，減少反射聲，從而降低容積內(nèi)噪聲。仿生吸聲降噪材料的研究，主要聚焦于仿生木材和秸稈的結(jié)構(gòu)，應用于環(huán)境聲學中，有效降低噪聲污染，提高人們生活的舒適度。隔聲，是利用隔聲結(jié)構(gòu)將聲音隔擋，減弱噪聲的傳遞，使噪聲環(huán)境與需要安靜的環(huán)境分隔開。隔聲材料是指能減弱或隔斷聲波傳遞的材料。隔聲性能的好壞用材料的入射聲能與透過聲能相差的分貝數(shù)表示，差值越大，隔聲性能越好。導語

仿生吸聲材料，主要聚焦于動植物表面結(jié)構(gòu)的模仿，來實現(xiàn)降低噪音的目標。而仿生隔聲材料，則主要聚焦于蛾翼、貓頭鷹羽毛、鯊魚皮表面結(jié)構(gòu)的研究，構(gòu)建仿生聲學材料，實現(xiàn)隔聲目標，從而應用于氣動聲學中的隱形功能。一、仿生木材結(jié)構(gòu)吸聲降噪材料（一）木材多孔結(jié)構(gòu)第二節(jié)仿生吸聲與隔聲材料第五章仿生聲學材料

天然木材獨特的分級多孔結(jié)構(gòu)（圖11）從細胞壁的宏觀尺度延伸到納米尺度。天然木材主要由兩種不同系統(tǒng)的細胞組成，分別是軸向系統(tǒng)和徑向系統(tǒng)。木材孔道的細胞壁主要由纖維素、木質(zhì)素以及半纖維素組成（圖5-12）。纖維素起著骨架作用；半纖維素是無定形物質(zhì)，分布在微纖維之中，稱為填充物質(zhì)；木質(zhì)素是一種由苯丙烷單元通過醚鍵與碳碳鍵相互連接，起到加固細胞壁的作用。所以，仿生人工木材的結(jié)構(gòu)設計主要從結(jié)構(gòu)和材料兩個角度出發(fā)，得到材料的性能取決于基質(zhì)材料的性質(zhì)和孔道結(jié)構(gòu)的完整性。圖11納米尺度下天然木材的層次結(jié)構(gòu)一、仿生木材結(jié)構(gòu)吸聲降噪材料（二）仿生木材結(jié)構(gòu)制備吸聲材料與降噪應用第二節(jié)仿生吸聲與隔聲材料第五章仿生聲學材料

通過模擬木材內(nèi)部導管和紋孔，利用3D打印材料制備的仿生木材結(jié)構(gòu)吸聲板（圖12），在多頻段獲得良好的吸聲特性。但是3D打印技術(shù)效率低、成本高，無法實現(xiàn)批量生產(chǎn)。通過模仿木材的天然吸聲結(jié)構(gòu)，設計并制備仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔板，具有廣闊的應用前景。圖12仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)一、仿生木材結(jié)構(gòu)吸聲降噪材料（二）仿生木材結(jié)構(gòu)制備吸聲材料與降噪應用第二節(jié)仿生吸聲與隔聲材料第五章仿生聲學材料

以中密度纖維板為基材，對仿生木材結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計，利用分層加工工藝制備了具有側(cè)孔結(jié)構(gòu)的仿生穿孔纖維板，實現(xiàn)了木質(zhì)穿孔板的多頻段吸聲，為木質(zhì)吸聲材料的開發(fā)提供了新思路。木質(zhì)材料的仿生木材多孔結(jié)構(gòu)立體圖見圖13。相比直孔結(jié)構(gòu)，當聲波作用在纖維板表面時，由于側(cè)孔的作用，會增加聲波在穿孔內(nèi)部的反射頻率，聲波與孔道內(nèi)壁發(fā)生多次碰撞，引起的摩擦和空氣黏滯消耗加劇，聲波進出穿孔板損耗增加，從而使聲能衰減（圖13）。

（a）

（b）

（c）圖13仿生生物穿孔板（a）仿生木材多孔結(jié)構(gòu)立體圖；（b）聲波反射示意圖；（c）仿生穿孔纖維板。二、仿生秸稈結(jié)構(gòu)吸聲降噪材料（一）秸稈莖節(jié)結(jié)構(gòu)第二節(jié)仿生吸聲與隔聲材料第五章仿生聲學材料

植物莖稈結(jié)構(gòu)是自然界中最常見的支撐結(jié)構(gòu)，它不但具有一定的剛性，還具備一定的柔性，這種剛?cè)岵慕Y(jié)構(gòu)，為吸收能量提供了重要的靈感來源，可以作為降噪材料的優(yōu)良仿生源。

與木本植物相對均勻堅硬的莖稈不一樣，草本植物莖稈較柔軟（圖14），其主要是由表皮細胞、維管束和薄壁組織等具有明顯區(qū)別的組織所組成。從材料學的觀點來看，草本植物莖稈可以看作是由剛度較大的維管束纖維材料嵌入到柔軟的薄壁組織中組成的不均勻的長纖維增強復合材料。圖14常見的木本植物白蘭樹（a）與草本植物水稻（b）的莖稈外形二、仿生秸稈結(jié)構(gòu)吸聲降噪材料（一）秸稈莖節(jié)結(jié)構(gòu)第二節(jié)仿生吸聲與隔聲材料第五章仿生聲學材料

植物莖稈從結(jié)構(gòu)上可以分為帶節(jié)和無節(jié)兩種，這些莖稈植物結(jié)構(gòu)可以抽象為具有各向異性特征的復合材料：外層包裹著具有各向異性特征的柱狀內(nèi)芯及節(jié)，且各部分材料特性差異較大，秸稈是一種典型的多相、簇狀、不連續(xù)、不均勻和各向異性的復合材料。常見的帶節(jié)植物見圖15。

（a）

（b）

（c）圖15常見的帶節(jié)莖稈植物

（a）蘆葦

（b）玉米

（c）小麥二、仿生秸稈結(jié)構(gòu)吸聲降噪材料（二）仿生植物莖節(jié)結(jié)構(gòu)制備吸聲材料與降噪應用第二節(jié)仿生吸聲與隔聲材料第五章仿生聲學材料將層狀仿生技術(shù)應用于秸稈復合板材中，不僅可提高秸稈利用率、節(jié)約木材資源、保護生態(tài)環(huán)境、促進農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展，且能有效提高復合板材的力學、聲學及熱學性能。具有層狀仿生結(jié)構(gòu)的秸稈復合板材具有廣闊發(fā)展前景。然而，一項測量碎稻草、稻草莖及其混合物的吸聲特性（重量％）的調(diào)查表明，使用兩個麥克風阻抗管在250-6400Hz范圍內(nèi)測量吸聲系數(shù)。結(jié)果顯示，稻草莖稈在2000Hz時具有出色的平均吸聲系數(shù)0.981±0.019，在2152Hz時具有0.994±0.007。稻草莖的降噪系數(shù)約為0.389±0.010，顯著高于碎稻草。小麥、蘆葦?shù)戎参锏慕斩捲诟粢艉透魺嵊兄鴱V泛使用，其節(jié)點莖稈起到吸聲性能。利用3D打印周期仿生結(jié)構(gòu)材料，實驗結(jié)果與理論預測這種仿生材料具有很好吸聲效果，為常見植物用于降低噪聲提供很好支持。三、仿生蛾翼結(jié)構(gòu)吸波隱形材料（一）蛾翼結(jié)構(gòu)第二節(jié)仿生吸聲與隔聲材料第五章仿生聲學材料飛蛾翅膀是天然隱形聲學材料。蛾翼上非常薄的鱗片層已經(jīng)演化出非凡的超聲吸收特性，從而為躲避蝙蝠的回聲探測提供了隱形的聲學偽裝。生存的需要意味著飛蛾會進化出1.5mm深的鱗片防護屏障，該屏障可用作多孔吸聲材料（圖16）。蛾翼還通過添加另一個驚人的功能，發(fā)展出一種使共振吸收器吸收所有蝙蝠頻率的方法——它們將許多單獨調(diào)諧到不同頻率的共振器組裝成一系列吸收器，從而共同創(chuàng)建出可作為聲學材料的寬帶吸收器。圖16蛾翼與蝴蝶翅膀結(jié)構(gòu)對比三、仿生蛾翼結(jié)構(gòu)吸波隱形材料（二）仿生蛾翼制備聲學材料第二節(jié)仿生吸聲與隔聲材料第五章仿生聲學材料飛蛾翅膀的隱形特性不僅在自然界中為飛蛾提供了生存優(yōu)勢，同時也為人類提供了設計新型吸音材料和技術(shù)的靈感，包括天然聲學材料、吸音皮毛、仿生吸聲裝置以及超薄吸音壁紙等。通過研究飛蛾翅膀特性開發(fā)的仿生吸波裝置，能夠提供高吸收率，同時保持最小的空間需求?？茖W家可據(jù)此設計出用于家庭和辦公室的超薄吸聲器“墻紙”，以替代目前使用的笨重的吸聲器面板。這些創(chuàng)新有望減少噪聲污染，提高人類的生活質(zhì)量?。四、仿生貓頭鷹羽毛隔聲降噪材料（一）貓頭鷹羽毛結(jié)構(gòu)第二節(jié)仿生吸聲與隔聲材料第五章仿生聲學材料貓頭鷹是一種很常見的鳥，以其幾乎無聲地飛行而聞名。貓頭鷹的翅膀和腿上長著天鵝絨般的絨毛，可以吸收聲音的頻率。貓頭鷹的細長遠端小珠形成多層網(wǎng)格多孔結(jié)構(gòu)，這也對貓頭鷹的吸聲質(zhì)量具有積極影響。前緣鋸齒和后緣條紋改善了湍流邊界處的壓力脈動，分散了氣流的沖擊和翼端的空氣積聚，抑制了渦聲的產(chǎn)生，也解決了機翼的顫振問題。貓頭鷹的翅膀和羽毛符合空氣動力學設計，無聲飛行使貓頭鷹能夠以隱形的方式捕捉獵物。貓頭鷹天鵝絨般的羽毛表面是造成無聲亮光的部分原因。羽毛表面的微觀結(jié)構(gòu)與森林的形態(tài)相似。四、仿生貓頭鷹羽毛隔聲降噪材料（一）貓頭鷹羽毛結(jié)構(gòu)第二節(jié)仿生吸聲與隔聲材料第五章仿生聲學材料圖17（a）中的羽毛表面結(jié)構(gòu)由兩層組成，一層是具有大量羽紋的高度多孔和蓬松的冠層（見圖17（b）），另一層是具有厚毛的空腔層（見圖17（c））。高度多孔的冠層可以作為緩沖器，從準湍流中提取能量，并提供旁路耗散機制。此外，在激光掃描共聚焦顯微鏡中觀察到的多層多孔結(jié)構(gòu)表明，超長的羽毛形成了絨毛狀的羽毛表面，并且在高頻范圍內(nèi)有效地作為吸聲器。

（a）

（b）

（c）圖17貓頭鷹羽絨的結(jié)構(gòu)

（a）整體結(jié)構(gòu)

（b）冠層

（c）空腔層。四、仿生貓頭鷹羽毛隔聲降噪材料（一）貓頭鷹羽毛結(jié)構(gòu)第二節(jié)仿生吸聲與隔聲材料第五章仿生聲學材料貓頭鷹和其他非無聲飛行鳥類的翅膀羽毛，有三個與眾不同的獨特特征，可以減少噪音（見圖18），即前緣的鋸齒狀羽毛，后緣形成的邊緣，以及翅膀和腿表面的柔軟絨毛涂層。正是這些特點讓貓頭鷹“無聲飛行”。機翼的前緣具有鋸齒狀的機翼結(jié)構(gòu)，其不允許空氣在前緣處積聚，但是其在該梳狀結(jié)構(gòu)所處的每個點處分解空氣。從而減少了大量的湍流、顫振和噪音。圖18貓頭鷹三種特殊羽毛細節(jié)

（A）前緣鋸齒；（B）后緣條紋；（C）柔軟絨毛涂層表面。四、仿生貓頭鷹羽毛隔聲降噪材料（二）仿生貓頭鷹羽毛制備降噪材料第二節(jié)仿生吸聲與隔聲材料第五章仿生聲學材料受貓頭鷹的啟發(fā)，天鵝絨般的羽毛表面進一步導致仿生多層吸聲器中的模仿，例如微淤泥板，微穿孔膜和多孔泡沫，以提高吸聲系數(shù)?；谪堫^鷹的耦合仿生思想，制備的仿生機翼尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)具有降噪功能。圖19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翼模型。圖19基于貓頭鷹的帶有尾緣鋸齒的耦合仿生三維機翼模型

聯(lián)想集團基于貓頭鷹翼后緣非光滑形態(tài)，通過對電腦風扇葉片尖端設置凸起物，研發(fā)出新型鷹翼風扇，應用發(fā)現(xiàn)凸起部分可以改善風扇轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的空氣亂流現(xiàn)象，以達到降噪靜音的效果。鷹翼風扇的應用，使得ThinkPad在使用溫度降低的同時，噪音減小了3dB。五、仿生鯊魚皮隔聲降噪材料（一）鯊魚皮結(jié)構(gòu)第二節(jié)仿生吸聲與隔聲材料第五章仿生聲學材料水下生物經(jīng)過了漫長的演變和發(fā)展，進化出了非常優(yōu)異的水下減阻降噪功能，由于水下生物在捕食的時候需要保持足夠的安靜，因此通常情況下魚類本身都具有降噪的特殊技能。

圖20鯊魚盾鱗掃描電鏡圖如圖20的鯊魚盾鱗掃描電鏡圖所示，鯊魚皮表面并不是完全光滑的，鯊魚皮表面存在許多流向接近的凹槽結(jié)構(gòu)。鯊魚皮表面均勻排列著尺寸大小略異的盾鱗，這些盾鱗之間形成了一定體積的空腔，當這些空腔結(jié)構(gòu)附近的壓力隨著水壓的變化而變化時，可以將其視為一個聲順元（一個傳聲物體或者是系統(tǒng)將一部分聲能吸收并傳導，就是聲順）。當鯊魚在水中快速游泳時，海水在空腔內(nèi)壁產(chǎn)生湍流振動摩擦，由于黏滯阻尼和導熱的作用會產(chǎn)生聲能損耗，達到降噪的效果。五、仿生鯊魚皮隔聲降噪材料（二）仿生鯊魚皮隔聲材料第二節(jié)仿生吸聲與隔聲材料第五章仿生聲學材料

非光滑表面的降噪研究主要集中在氣動聲學，對于非光滑表面聲學包裝材料的聲學性能研究較少。因此，結(jié)合仿生學將非光滑表面應用到高吸聲性能汽車聲學包裝的開發(fā)，不僅具有重要的學術(shù)價值，而且具有非常廣闊的應用前景。

受鯊魚皮膚上的真皮小齒所產(chǎn)生的雙重特性啟發(fā)，研究人員模仿鯊魚的皮膚細齒呈“V”形溝槽結(jié)構(gòu)制備了一種智能聲學材料。該聲學材料由橡膠和磁敏納米顆粒制成。為了使納米粒子對聲波傳輸做出響應，研究人員必須能夠主動阻止或傳導聲波輸入。他們使用可磁變形的米氏諧振器柱（MRP）陣列。如果柱子靠得更近，聲波就無法通過。如果柱子相距較遠，聲波就很容易穿過。外部磁場有助于彎曲和伸直支柱，以實現(xiàn)這種類型的“狀態(tài)切換”，從而實現(xiàn)隔聲功能。六、仿生蜘蛛網(wǎng)輕質(zhì)隔音材料（一）蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)第二節(jié)仿生吸聲與隔聲材料第五章仿生聲學材料

蜘蛛網(wǎng)纖維的結(jié)構(gòu)具有高強度和高韌性的特點，科學家們利用這一特性進行仿生設計，開發(fā)出一種新型的高強度纖維。這種仿生纖維可以應用于建筑、航空航天等領(lǐng)域，提供更可靠的材料。

蜘蛛網(wǎng)的構(gòu)造結(jié)合了蜘蛛絲徑向和切向的彈性特質(zhì)，在保持輕質(zhì)的基礎上還能有效降低和吸收大頻率范圍內(nèi)的振動。通過對各個版本進行聲學測試，研究人員證實這種新材料在消除低頻聲音時顯得更有效，且相比于其他聲控材料而言，它也更容易被調(diào)協(xié)到不同頻率。這種綜合了蜘蛛絲機械性能、異質(zhì)性并且兼具聲學可協(xié)調(diào)性的材料或許可以開啟控制振動的新時代。六、仿生蜘蛛網(wǎng)輕質(zhì)隔音材料（二）仿生蜘蛛網(wǎng)制備輕質(zhì)隔音材料第二節(jié)仿生吸聲與隔聲材料第五章仿生聲學材料

蜘蛛網(wǎng)獨特的同心環(huán)結(jié)構(gòu)會與特定頻率的振動發(fā)生共振，基于這一發(fā)現(xiàn)研究人員在設計新型隔音材料時采用了方形結(jié)構(gòu)單元。在其中加入了“共振環(huán)”以及從環(huán)中心連接到外圍的韌帶；同時以五個參數(shù)來確定其幾何結(jié)構(gòu)其中每一個參數(shù)都可以被獨立調(diào)控以適應不同的聲音頻率。這使得該材料擁有更寬的“帶隙”（指隔音材料所能消除的聲音頻率范圍）和更大范圍的可協(xié)調(diào)性、同時也帶來廣闊的應用前景。一來可通過在主體及吊索中添加蛛網(wǎng)樣的周期性重復單元來制造隔振索橋及可伸長結(jié)構(gòu)。

膜型聲學材料因其優(yōu)異的隔音性能而受到廣泛地研究。受蜘蛛網(wǎng)的啟發(fā)，有研究設計了一種仿生膜型聲學材料，結(jié)合了膜、框架和一組諧振器。計算和實驗結(jié)果表明，生物啟發(fā)模型具有19%的質(zhì)量減少和61%的帶寬擴展。圓形模型的隔聲性能優(yōu)于其他兩種方形模型。當諧振器位于半徑比為0.54時，實現(xiàn)了最佳的隔音性能。第三節(jié)方向敏感仿生聲學材料第五章仿生聲學材料

方向敏感仿生聲學材料，主要用于收集聲音、檢測物體，在人工耳蝸、水下聲學、聲音增強等方面具有廣泛的應用。導語一、仿生耳蝸及耳蝸細胞感知聲波材料（一）耳蝸及耳蝸細胞結(jié)構(gòu)第三節(jié)方向敏感仿生聲學材料第五章仿生聲學材料

人類耳朵能夠聽到的聲音頻率范圍為20～20000Hz，圖21（a）是一個耳蝸及基底膜的結(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20000Hz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20Hz的聲波。圖21（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，可以看出這是聲學材料結(jié)構(gòu)。圖21耳蝸及其掃描電鏡照片人工耳蝸，是一種模擬耳蝸毛細胞工作原理的電子設備，植入人工耳蝸是治療雙側(cè)重度和極重度感音神經(jīng)聾唯一有效的方法。一、仿生耳蝸及耳蝸細胞感知聲波材料（一）耳蝸及耳蝸細胞結(jié)構(gòu)第三節(jié)方向敏感仿生聲學材料第五章仿生聲學材料圖22（a）所示的由半個橢圓形和半個圓形結(jié)構(gòu)拼接而成的耳蝸仿生螺旋聲學材料，耳蝸螺旋頂側(cè)的起始半徑為2mm，底部終點的半徑為4mm，螺旋圈數(shù)為2.7，螺旋總長度為32mm，該螺旋仿生聲學材料具有負剛度和負質(zhì)量的雙負特性。從圖22（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89.3Hz；從圖22（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5000.5Hz；從圖22（d）中可以看出，底部圓環(huán)的自然頻率是10097.2Hz。從理論上講，該耳蝸仿生聲學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)的振動和聲音所產(chǎn)生的能量都可以被回收。圖22螺旋仿生聲學材料二、仿生海豚聲吶控制低頻聲波材料（一）海豚聲吶結(jié)構(gòu)第三節(jié)方向敏感仿生聲學材料第五章仿生聲學材料海豚進化出了一套復雜的生物聲吶系統(tǒng)來適應水下環(huán)境，它可以通過鼻系統(tǒng)中的猴唇/背囊復合體產(chǎn)生寬帶信號來捕食和探測水下物體。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(tǒng)，可以將寬帶信號傳輸?shù)剿小：ｋ嗟穆晜鬏斢深~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。圖23（a）給出了海豚頭部的CT三維重建和組織樣本結(jié)構(gòu)，圖23（b）顯示海豚頭部矢狀橫斷面的CT圖像（側(cè)視圖），阿拉伯數(shù)字表示橫截面的位置順序。圖23中華白海豚頭部的CT圖像二、仿生海豚聲吶控制低頻聲波材料（二）仿生海豚聲吶結(jié)構(gòu)制備低頻聲波材料第三節(jié)方向敏感仿生聲學材料第五章仿生聲學材料基于海豚生物聲吶系統(tǒng)CT掃描圖，設計了一種具有高指向性的仿生聲學材料投射儀結(jié)構(gòu)，如圖24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(jié)構(gòu)，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(shù)量級，帶寬范圍較寬。這種仿生聲學材料的結(jié)構(gòu)設計為亞波長尺寸水下聲吶、醫(yī)療超聲以及相應的聲學應用提供了良好的設計思路。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(xiàn)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(jié)構(gòu)至關(guān)重要。圖24仿生聲學材料投射儀三、仿生蝙蝠聲吶識別場景材料（一）蝙蝠的聲吶技術(shù)第三節(jié)方向敏感仿生聲學材料第五章仿生聲學材料蝙蝠利用聲吶技術(shù)來感知周圍環(huán)境和捕食獵物。它們通過發(fā)出高頻聲波，然后根據(jù)回聲的反射時間和強度來判斷物體的位置和形狀。這種聲吶技術(shù)被稱為"回聲定位"，類似于雷達系統(tǒng)中的原理。蝙蝠的聲吶技術(shù)在許多方面都比人類的聽覺系統(tǒng)更加高效。首先，蝙蝠能夠發(fā)出超過20kHz的高頻聲波，遠遠超過人類的聽覺范圍。這使得蝙蝠能夠捕捉到更多的細節(jié)和更遠的距離。其次，蝙蝠的聲吶系統(tǒng)能夠快速地處理大量的回聲信息，從而在短時間內(nèi)做出準確的判斷。這種高效率的處理能力使得蝙蝠能夠在飛行中迅速捕捉到獵物。蝙蝠與雷達之間的聯(lián)系展示了自然界中的聲吶技術(shù)的奇妙之處。蝙蝠利用聲吶技術(shù)在黑暗中捕食獵物和導航，而雷達系統(tǒng)則在人類的科技領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。通過深入研究蝙蝠的聲吶技術(shù)，有利于開展仿生蝙蝠雷達制備場景識別材料。三、仿生蝙蝠聲吶識別場景材料（二）仿生蝙蝠雷達制備場景識別材料第三節(jié)方向敏感仿生聲學材料第五章仿生聲學材料仿生蝙蝠材料最引人注目的特性是其卓越的強度與重量比。這種材料能夠在保持極輕的重量的同時，提供驚人的抗拉強度和耐久性。此外，它的柔韌性使得材料可以被塑造成各種復雜的形狀，非常適合用于航空航天、運動器材以及高性能服裝等領(lǐng)域。蝙蝠在黑暗惡劣的環(huán)境中仍能夠準確捕捉獵物，這一特性促使人們對蝙蝠捕食過程中發(fā)出的聲波信號進行深入研究，并希望將其應用到雷達技術(shù)中。四、仿生氣泡結(jié)構(gòu)增透聲波材料（一）氣泡結(jié)構(gòu)第三節(jié)方向敏感仿生聲學材料第五章仿生聲學材料當聲波遇到水面時，會在水氣界面遇到水氣屏障。聲波穿過水氣界面時能量損失巨大，只有約0.1%的能量能透射過去，其中絕大部分都反射掉了。與較大的氣泡相比，微小的氣泡具有許多優(yōu)點。例如，較大的特殊表面積、額外的拉普拉斯壓力、上升速度小，傳質(zhì)效率高。因此，在許多涉及氣泡的工藝中，高效分散微小氣泡是很有價值的。研究人員利用疏水或超疏水特性，在水中捕獲陣列化的氣泡結(jié)構(gòu)，研究其聲學性質(zhì)，并實現(xiàn)了多種聲學應用，發(fā)展出“超疏水聲學”。比如，受超疏水結(jié)構(gòu)啟發(fā)創(chuàng)建的氣泡陣列，用于聲學反射超表面來增強水下聲波反射，以及利用疏水結(jié)構(gòu)或者荷葉等在水面附近處捕獲氣泡層，創(chuàng)建聲學透射仿生表面，其可作為“聲窗”增強水下和水上的聲波通信。四、仿生氣泡結(jié)構(gòu)增透聲波材料（二）仿生氣泡結(jié)構(gòu)增透聲波的相關(guān)研究第三節(jié)方向敏感仿生聲學材料第五章仿生聲學材料水中的氣泡作為一種最簡單的聲學材料，具有獨特的聲學性質(zhì)。可以通過對