新型耳蜗仿生声学超常材料

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新型耳蜗仿生声学超常材料

耳蜗是人类听觉系统的重要器官，其基底膜对声音信号具有很强的选择性。Helmholtz认为，附着在耳蜗基底膜上的纤维可以完成对声音信号的感知：靠近耳蜗底部处对高频声音较为敏感，而靠近耳蜗顶部处则对低频部分较为敏感，这个理论被科学家们称为“Place Theory”。传统的仿生声学超常材料和声学功能器件的设计，利用耳蜗的这种结构特性进行简化改进，但设计结构参数复杂，不易控制。

近期，西安交通大学的学者基于哺乳动物耳蜗原型提出了一种的设计方法，该方法以一种简化参数的螺旋结构来代替实际中为仿生学设计的不规则耳蜗结构。由于耳蜗实际结构与截面积规则变化的螺旋结构很相似，他们将人类的耳蜗简化成一个旋转2.7周的螺旋结构，整个耳蜗长度为32 mm，基底膜顶部和底部的厚度分别为10µm和30µm，宽度为100µm和500µm，该螺旋结构顶部最小自然频率为89.3 Hz，而结构中间和底部的自然频率分别为5000.5 Hz和10097.2 Hz。

基于仿生参数螺旋结构的计算结果表明，整个耳蜗实现了一个具有负动态有效质量特性的局部共振系统。该模型结构有效地克服了锥形结构不能反映螺旋结构特性的弊端，并且在实际应用中可以灵活的控制设计参数，在宽带能量恢复设备、耳蜗移植、声学黑洞等方面，这种设计方法具有很广阔的应用前景。

（刘金麟编译自MA F，WU J H，HUANG M，et al.Cochlear bionic acoustic metamaterials［J］. Appl.Phys.Lett.，2014，105（21）：213702-213701-203702-213705.）