80电影天堂网,少妇高潮一区二区三区99,jαpαnesehd熟女熟妇伦,无码人妻精品一区二区蜜桃网站

  在自然界漫長(zhǎng)的生存競(jìng)爭(zhēng)中，大自然似乎更偏愛螺旋狀的卷曲結(jié)構(gòu)。小到?jīng)Q定生命形態(tài)的DNA，乃至螺旋藻類、蝸牛等生物無(wú)一例外都是螺旋結(jié)構(gòu)。隨著人類文明的發(fā)展，螺旋仿生結(jié)構(gòu)被應(yīng)用到了生活實(shí)踐中，如樓梯、盤山公路等，不僅能減緩坡度，還能節(jié)約空間。近年來(lái)，聲學(xué)超表面結(jié)構(gòu)的發(fā)展使得將螺旋型吸聲結(jié)構(gòu)應(yīng)用到實(shí)際中實(shí)現(xiàn)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(xiàng)目組在生物螺旋結(jié)構(gòu)的啟發(fā)下，圍繞水下低頻吸聲難以實(shí)現(xiàn)的科學(xué)問(wèn)題，攻克傳統(tǒng)水下吸聲材料在低頻區(qū)域吸聲性能差且笨重的應(yīng)用難題。項(xiàng)目組在此前提出手性螺旋功能基元的基礎(chǔ)上完成了雙螺旋高階鏡像拼接的復(fù)合功能基元設(shè)計(jì)，徹底打破基元結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，進(jìn)一步獲得了更高性能的水下低頻吸聲超表面，工作發(fā)表在國(guó)際期刊Extreme Mechanics Letters。文章題為 “Reconfigurable spiral underwater sound-absorbing metasurfaces”,以手性螺旋的構(gòu)型參數(shù)和雙螺旋序列的拼接方式為切入點(diǎn)，基于廣義Snell定律的聲超表面波控設(shè)計(jì)方法，通過(guò)增長(zhǎng)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(duì)稱性，達(dá)到了原有手性螺旋基元不能實(shí)現(xiàn)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(jī)理、新途徑。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省“珠江人才計(jì)劃”引進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)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(jié)構(gòu)。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(shè)計(jì)好的螺旋吸聲器放入波導(dǎo)進(jìn)行吸聲特性研究，波導(dǎo)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(xué)上設(shè)置為剛性，聲波從左側(cè)入射。聲波在螺旋單元的入口基于廣義Snell定律相位調(diào)控被完成吸收，在出口又由于聲阻抗失配被完全阻擋，實(shí)現(xiàn)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(dǎo)中;(b)螺旋裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；（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(zhǎng)度的影響

  進(jìn)一步計(jì)算了單螺旋的代表性長(zhǎng)度參數(shù)的吸聲特性，通過(guò)增長(zhǎng)螺旋路徑的有效長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)寬范圍內(nèi)吸收區(qū)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(dá)到完美吸聲。隨著螺旋長(zhǎng)度的增加，首個(gè)完美吸聲峰值的頻率從5.7kHz降低到3.1kHz，驗(yàn)證了螺旋單元吸聲頻率隨路徑長(zhǎng)度可調(diào)。聲壓在螺旋內(nèi)部的軌道和空心圓柱體的開口處較高，其中最集中的區(qū)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(zhǎng)度對(duì)吸收系數(shù)的影響。(a)有限元計(jì)算模型示意圖;(b)長(zhǎng)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(zhǎng)度依次為336mm、366 mm、399 mm、455 mm的吸聲系數(shù)曲線。

螺旋路徑階數(shù)的影響

  高階螺旋的路徑比上述單螺旋的路徑復(fù)雜，這不可避免地進(jìn)一步破壞結(jié)果對(duì)稱性，增加聲波傳輸相位的復(fù)雜性，在結(jié)果上相當(dāng)于螺旋等效長(zhǎng)度增長(zhǎng)。進(jìn)一步，顯示了螺旋路徑階數(shù)升序?qū)ξ曁匦缘挠绊�。N階螺旋由纏繞在中心圓柱體上的n個(gè)螺旋路徑組成，分別設(shè)計(jì)了三個(gè)尺寸相同但螺旋路徑階數(shù)遞增的螺旋單元。研究發(fā)現(xiàn)，增加螺旋路徑階數(shù)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(guò)設(shè)計(jì)螺旋路徑階數(shù)來(lái)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(shù)對(duì)吸收系數(shù)的影響。(a) 2、4、6級(jí)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(gè)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(huì)導(dǎo)致相位的急劇變化，這意味著可以通過(guò)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(gè)相同長(zhǎng)度的螺旋。兩個(gè)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(jié)構(gòu)吸聲帶寬要比鏡面拼接結(jié)構(gòu)的吸聲帶寬寬500Hz。從聲壓分布圖中可以觀察到，鏡面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致拼接處的相位突變，從而耗散了大量的聲能。結(jié)果表明，路徑長(zhǎng)度是影響最低吸聲頻率的參數(shù)，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(duì)吸收系數(shù)的影響。(a)同向、鏡面拼接的螺旋結(jié)構(gòu)模型;(b)兩個(gè)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(gè)剪接模型的吸聲系數(shù)曲線。

  本工作基于廣義Snell定律，通過(guò)逐步破壞仿生雙螺旋結(jié)構(gòu)序元空間對(duì)稱性，達(dá)到了原有螺旋基元不能實(shí)現(xiàn)的低頻寬帶完美吸聲效果。通過(guò)增長(zhǎng)螺旋、高階螺旋、順向拼接雙螺旋、鏡像拼接雙螺旋等方式對(duì)該雙螺旋吸聲結(jié)構(gòu)吸聲特性的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了其在水下低頻寬帶的完美吸聲特性和吸聲頻率可調(diào)性。這項(xiàng)工作大大減小了吸聲裝置的側(cè)向厚度，同時(shí)將吸聲效率保持在等效長(zhǎng)直管的水平，增加了實(shí)際應(yīng)用的可操作性。這樣的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)超薄且吸聲頻率可廣泛調(diào)節(jié)的低頻寬帶水下吸聲結(jié)構(gòu)具有巨大的應(yīng)用潛力。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352431621001115