新型耳蝸仿生聲學(xué)超常材料

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新型耳蝸仿生聲學(xué)超常材料

耳蝸是人類聽覺系統(tǒng)的重要器官，其基底膜對聲音信號具有很強的選擇性。Helmholtz認(rèn)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(xué)家們稱為“Place Theory”。傳統(tǒng)的仿生聲學(xué)超常材料和聲學(xué)功能器件的設(shè)計，利用耳蝸的這種結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行簡化改進(jìn)，但設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)復(fù)雜，不易控制。

近期，西安交通大學(xué)的學(xué)者基于哺乳動物耳蝸原型提出了一種的設(shè)計方法，該方法以一種簡化參數(shù)的螺旋結(jié)構(gòu)來代替實際中為仿生學(xué)設(shè)計的不規(guī)則耳蝸結(jié)構(gòu)。由于耳蝸實際結(jié)構(gòu)與截面積規(guī)則變化的螺旋結(jié)構(gòu)很相似，他們將人類的耳蝸簡化成一個旋轉(zhuǎn)2.7周的螺旋結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)頂部最小自然頻率為89.3 Hz，而結(jié)構(gòu)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(shù)螺旋結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果表明，整個耳蝸實現(xiàn)了一個具有負(fù)動態(tài)有效質(zhì)量特性的局部共振系統(tǒng)。該模型結(jié)構(gòu)有效地克服了錐形結(jié)構(gòu)不能反映螺旋結(jié)構(gòu)特性的弊端，并且在實際應(yīng)用中可以靈活的控制設(shè)計參數(shù)，在寬帶能量恢復(fù)設(shè)備、耳蝸移植、聲學(xué)黑洞等方面，這種設(shè)計方法具有很廣闊的應(yīng)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.）