在自然界漫长的生存竞争中，大自然似乎更偏爱螺旋状的卷曲结构。小到决定生命形态的DNA，乃至螺旋藻类、蜗牛等生物无一例外都是螺旋结构。随着人类文明的发展，螺旋仿生结构被应用到了生活实践中，如楼梯、盘山公路等，不仅能减缓坡度，还能节约空间。近年来，声学超表面结构的发展使得将螺旋型吸声结构应用到实际中实现低频吸声成为可能。
图1 生物螺旋与螺旋楼梯
近日，张晗副研究员项目组在生物螺旋结构的启发下，围绕水下低频吸声难以实现的科学问题，攻克传统水下吸声材料在低频区域吸声性能差且笨重的应用难题。项目组在此前提出手性螺旋功能基元的基础上完成了双螺旋高阶镜像拼接的复合功能基元设计，彻底打破基元结构对称性，进一步获得了更高性能的水下低频吸声超表面，工作发表在国际期刊Extreme Mechanics Letters。文章题为 “Reconfigurable spiral underwater sound-absorbing metasurfaces”,以手性螺旋的构型参数和双螺旋序列的拼接方式为切入点，基于广义Snell定律的声超表面波控设计方法，通过增长螺旋、高阶螺旋、顺向拼接双螺旋、镜像拼接双螺旋逐步破坏序元空间对称性，达到了原有手性螺旋基元不能实现的更加低频宽带的完美吸声效果，为高性能水下声隐身提供了新机理、新途径。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队项目的支持。
螺旋吸声器的模型
首先介绍了吸声器螺旋单元结构。螺旋吸声单元由空心圆柱和缠绕在其四周的螺旋路径组成。将设计好的螺旋吸声器放入波导进行吸声特性研究，波导的两端是开放的且均为平面波辐射边界条件，所有边界在声学上设置为刚性，声波从左侧入射。声波在螺旋单元的入口基于广义Snell定律相位调控被完成吸收，在出口又由于声阻抗失配被完全阻挡，实现近乎完美的宽频吸声。
图2所示为螺旋吸声器的模型。(a)将螺旋单元置于波导中;(b)螺旋装置的内部结构；（c）声波在螺旋单元入口处的波传输行为反/折射示意图。
螺旋长度的影响
进一步计算了单螺旋的代表性长度参数的吸声特性，通过增长螺旋路径的有效长度，实现宽范围内吸收区域的灵活降低。声压声速分布图表明螺旋单元在吸声峰值频率处，透射声压几乎降低到零，达到完美吸声。随着螺旋长度的增加，首个完美吸声峰值的频率从5.7kHz降低到3.1kHz，验证了螺旋单元吸声频率随路径长度可调。声压在螺旋内部的轨道和空心圆柱体的开口处较高，其中最集中的区域位于螺旋路径的入口，表明吸声效果主要取决于螺旋路径，而空心圆柱体起到辅助耦合的作用。
图3为不同螺旋长度对吸收系数的影响。(a)有限元计算模型示意图;(b)长度为455mm的螺旋单元在3.1 kHz、3.8 kHz和5.1 kHz处的声压和速度分布截面。颜色表示声压分布，白色线表示声速分布;(c)-(f)螺旋长度依次为336mm、366 mm、399 mm、455 mm的吸声系数曲线。
螺旋路径阶数的影响
高阶螺旋的路径比上述单螺旋的路径复杂，这不可避免地进一步破坏结果对称性，增加声波传输相位的复杂性，在结果上相当于螺旋等效长度增长。进一步，显示了螺旋路径阶数升序对吸声特性的影响。N阶螺旋由缠绕在中心圆柱体上的n个螺旋路径组成，分别设计了三个尺寸相同但螺旋路径阶数递增的螺旋单元。研究发现，增加螺旋路径阶数将降低吸声频率，例如6阶吸声频率为2.7kHz，比2阶降低728Hz。因此，通过设计螺旋路径阶数来降低吸声频率仍然是一种可靠的方法。
图4所示。不同螺旋路径阶数对吸收系数的影响。(a) 2、4、6级螺旋的模型图;(b)6阶螺旋在2.7 kHz、3.35 kHz及4.5 kHz声压及速度分布剖视图;(c)-(e)这三个不同阶次单元的水下吸声曲线。
螺旋拼接方式的影响
越曲折的传输路径越会导致相位的急剧变化，这意味着可以通过改变螺旋路径曲折度控制吸声特性。我们分别沿相同方向和镜像方向拼接第二个相同长度的螺旋。两个螺旋单元的最低吸声频率相同均为1.405kHz，而相同方向拼接的螺旋结构吸声带宽要比镜面拼接结构的吸声带宽宽500Hz。从声压分布图中可以观察到，镜面结构导致拼接处的相位突变，从而耗散了大量的声能。结果表明，路径长度是影响最低吸声频率的参数，而螺旋拼接方法仅影响带宽。
图5所示。螺旋路径不同拼接方式对吸收系数的影响。(a)同向、镜面拼接的螺旋结构模型;(b)两个拼接螺旋单元在各自吸收峰处的声压和速度分布图。颜色代表声压，白线代表声速;(c) -(d)两个剪接模型的吸声系数曲线。
本工作基于广义Snell定律，通过逐步破坏仿生双螺旋结构序元空间对称性，达到了原有螺旋基元不能实现的低频宽带完美吸声效果。通过增长螺旋、高阶螺旋、顺向拼接双螺旋、镜像拼接双螺旋等方式对该双螺旋吸声结构吸声特性的影响规律进行了研究，验证了其在水下低频宽带的完美吸声特性和吸声频率可调性。这项工作大大减小了吸声装置的侧向厚度，同时将吸声效率保持在等效长直管的水平，增加了实际应用的可操作性。这样的结构在设计超薄且吸声频率可广泛调节的低频宽带水下吸声结构具有巨大的应用潜力。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352431621001115
