隐秘的飞行者:健壮的飞蛾很擅长吸收超声波(图片源自英国布里斯托大学)
Marc Holderied教授是感官生态学和行为声学专家，他和他的团队与仿生工程有紧密的联系，在声学伪装和生物声纳导航这一新兴领域开展了研究。出于对“声学军备竞赛”和野生动物声学的热情，Holderied教授在近期研究中发现，蛾翼具有不可思议的吸声特性，并采用了HEAD acoustics方向相关声学高精度转台测试技术，来测量蛾翼的这一特性。
蝙蝠和蛾类长期以来一直处于生物进化的军备竞赛之中，蝙蝠用其独有的生物声纳系统探测昆虫猎物，反之这些猎物为了生存会采用各种策略来避免被捕食。在早期研究中，Holderied和他的合作研究员发现失聪的飞蛾会在翅膀上进化出能够吸收超声波的微小鳞片，这种鳞片可以吸收来自蝙蝠85%的超声波来避免自身被探测到。
这种由超声学材料构成的鳞片的关键特征之一在于其尺寸远小于所作用声波波长，这使得它们的结构比传统的吸声结构要纤薄许多。为了生存，飞蛾进化出1.5mm深的多孔吸声器鳞片作为保护屏障，但这种保护屏障不直接作用在飞蛾的翅膀上，因为翅膀厚度的增加会影响飞行能力。
由第一作者Thoms Neil博士和Zhiyuan Shen博士领导的布里斯托研究小组在去年夏天透露，关于蛾翼的研究他们取得了显著进步:他们发明了一种类似鳞片的超薄动力吸收器，其厚度仅为所吸收波长的百分之一，这使得飞蛾在足够轻盈飞行的同时大大降低在黑暗中被蝙蝠雷达探测到的可能性。
Holderied及其同事的经验和数学分析表明，蛾翼具备理想超声学材料的关键特质。“我们现在明白了蛾翼这种生物结构和功能的复杂性。基于此研究，我们似乎找到了利用这些仿生超材料特性来设计高性能声学面板和设备降噪的新方向”，Holderied解释到。
蛾翼充当具有宽带吸收超声学特性的材料——这是自然界首例!
将蛾翼的鳞片覆盖在坚硬的人造材料表面时，可以显著减少入射声波产生的反射。这种吸声的具体原理目前仍有待进一步研究，很有可能是鳞片的机械吸收效应与鳞片、翼膜和空气流动相互作用所导致的热效应和黏性效应共同作用引起的能量耗散。蛾翼的进化，使之能够针对蝙蝠发出的不同频段的超声波定位频率，将多个独立的谐振器集成并整合成一个吸振器阵列，从而充当超声学材料—这是自然界中已知的首个宽带吸声结构。要在蛾翼这种超薄、超轻结构中实现宽带吸声功能绝非易事，因此这一特性显得格外引人关注。
(0.21mmx0.28mm)蛾翼横切面3D图像,展示了基鳞(橙色)和盖鳞(蓝色和黄色)的结构多样性。(图片摘自Simon Reichel、Thomas Neil Zhiyuan Shen & Marc Holderied)
传统的声学隔音材料通常是多孔的。为了达到更好的隔音效果，材料的厚度必须至少比所阻挡声波波长厚10%。超材料经过特殊的结构设计，其厚度比吸收声波波长的1%还要薄，但这通常仅在窄带范围有效。虽然宽带超材料已经发明出来了，但厚度相比窄带明显要大很多。蛾翼上具有许多不同尺寸的鳞片，每一种均具备独特的谐振频率，不同尺寸鳞片组成的结构能够吸收更加广泛频率的声波，这远比传统声学隔音材料高效。之前Holderied团队研究表明，蛾翼能够吸收其他昆虫在空气中产生的声波，同时也展示了把蛾翼做成铝制金属表面涂层的吸声性能表现。
这种坚硬的金属铝盘表面通常会反射大部分入射声波，但研究人员测试发现具有蛾翼涂层的金属铝盘反射率在低频区域降低了87%，研究人员使用的入射超声波波长是蛾翼厚度的50倍。
接下来研究团队对蛾翼的吸声机制进行了更为细致的探究。他们从翅膀表层移除了鳞片，发现声波吸收的效果会随着入射声波的方向变化而改变，当光滑面朝向声波时，其吸声性能仍然保持较高水平，而相反方向吸声性能则完全失效。通过在实验室反复模拟和重现该场景，Holderied团队发现这种超材料的性能很大程度上取决于翼膜和翅膀底部硬质表面间的空气间隙是否存在鳞片结构。
蛾翼结构所吸收的声波频率超过了人耳听觉范围，但Holderied及其同事仍然希望基于该结构进行优化并开发出一种新型的低频吸声超材料，这将有望为高性能隔音技术带来突破，从而促成用于墙壁、车辆和机械设备的表面涂层，且该材料所需空间仅为现有整个材料结构的一小部分。
基于HEAD acoustics的高精度转台HRT I进行声学研究
HEAD acoustics高精度转台HRT I的典型应用是自动定向声学测试，广泛运用于电话设备、智能家居、(视频)会议系统、扬声器、麦克风或人工头等方面。此次，Holderied和他的团队在实验室将一只蛾翼粘附于HRT I转台上，并通过精准控制来验证不同转角对吸声性能的影响。转台行程是360度，每次步进角度可设置0.1度，所设定节角度可以以0.02度的精度重复。
除了通过测试和分析软件ACQUA或工具软件RC HRT I对转台轻松进行控制，用户也能够通过MATLAB或Python等编程语言来独立控制转台，这样便于将HRT I 更灵活地融入测试系统中。
“我们非常高兴能够采用HEAD acoustics的两台HRT I设备为蛾翼定向转角测试提供精准控制。一台放置在桌面，另一台固定在墙上，HRT I转台运行精准、安静且坚固，完全能够精确模拟出蛾翼旋转的真实角度，从而助力于我们的研究，因此它也成为布里斯托大学的首选产品” Holderied教授解释道。
“我也希望对蛾翼吸收机制的新认识能激发下一代声学超材料吸声器的设计灵感，让我们有望在家庭和办公室中使用轻薄的吸声器。相对于使用传统厚重的声学面板，我们的新研究为开发更灵活、更易于接受的吸声壁纸奠定了基础。”Holderied教授补充道。
来源:
1. Thomas R. Neil, Zhiyuan Shen, Daniel Robert, Bruce W. Drinkwater, and Marc W. Holderied: Moth wings as sound absorber metasurface. The Royal Society Publishing PNAS. University of Bristol. 2022.
https://doi.org/10.1098/rspa.2022.0046
2. Wallpaper made of moth wings is an excellent absorber of sound. Physics World. 2022.
https://physicsworld.com/a/wallpaper-made-of-moth-wings-is-an-excellent-absorber-of-sound/
3. University of Bristol, Press release 23rd Nov 2020
https://www.bristol.ac.uk/news/2020/october/moths-acoustic-camouflage.html
