基于多尺度分级结构的鳞翅目昆虫翅膀声学响应研究

After nearly seven million years of evolution, lepidopteran wings exhibit significant differences in their ultrastructure and sound absorption performance, due to different survival environments between butterflies and moths. However, so far, the mechanism of the acoustic responses of such natural biological materials is still unclear. This project aims at studying the acoustic responses of lepidopteran wings based on their multiscale hierarchical structures, from theoretical, numerical and experimental aspects. To this end, the geometry and material properties of ultrastructure of lepidopteran wings will be systematically measured and compared, by means of electron microscopes and mechanical testing systems, respectively. Based on dispersion equivalence and retrieval method of effective parameters, the multiscale dynamic homogenization theory will be established to qualitative and quantitative analysis of the interactions between hierarchical structures and acoustic characteristics of lepidopteran wings, and thus to reveal the sound absorption mechanism of moth wings. On this basis, bionic optimization design of lightweight sound-absorbing materials will be conducted, and the designed acoustic functional materials will be prepared and experimental tested. The study of this project is expected to provide insightful idea for the bionic design in acoustical engineering.

历经近七千万年的演化，鳞翅目昆虫（蝴蝶与飞蛾）由于生存环境不同，在翅膀的超微结构及吸声性能方面体现出显著差异。但目前该类天然生物材料的声学响应机制尚不清楚。本项目将基于鳞翅目昆虫翅膀的多尺度分级结构，利用理论、数值和实验方法，对其声学响应问题进行研究：通过电镜及微纳米力学测试系统等手段对其翅膀各级结构的几何和材料特性进行系统的测量、表征与对比；基于频散关系等效和等效参数反演等方法建立翅膀分级结构的多尺度动态均匀化理论，讨论分级结构间的跨尺度耦合关系，进而分析该类材料的宏观声学特性与多尺度分级结构之间的定量关系与物理机制，从而揭示飞蛾翅膀的吸声机制；在此基础上，提取翅膀中与声响应直接相关的结构、材料参数进行仿生优化设计，并开展以轻质吸声材料为代表的新型声功能材料的实验制备和声响应特性测试。本项目的研究成果也有望为声学工程中的仿生设计提供启示。

历经长期演化，天然生物材料呈现出多样而复杂的多尺度分级结构，并展现了人工材料难以比拟的动态力学性能。比如：夜蛾为逃避天敌蝙蝠的超声探测，其翅膀进化出独特的超声吸收特性；蛛网作为蜘蛛捕捉猎物、探测方位的工具，具备了高效吸能，定向信号传输的功能。目前，该类天然生物材料与其动态力学特性的关联机理尚不清楚。针对相关问题进行系统研究，有望为新颖波动控制装置的仿生设计提供新的思路。针对上述背景，项目开展了针对夜蛾翅膀、蛛网等的生物多尺度分级结构的动态力学特性进行研究。主要研究内容包括：1）生物多尺度分级结构材料与结构特性的测量与表征；2）生物多尺度分级结构动态均匀化方法；3）声学功能材料的仿生设计与性能分析。取得了包括多级结构波动响应特性分析算法、夜蛾翅膀多级结构声波幅值与相位的耦合调制机理、柔性仿生声学表面设计等一系列原创性研究成果。项目提出的可调柔性吸声结构、可调柔性声学超表面、仿生声子晶体结构具有结构简单、功能可调、易于实施的优点，具有应用转化价值。该研究展示了天然生物材料多功能优化的典型范例，首次从机理上揭示了夜蛾翅膀等生物多尺度分级结构的波动调制机理，明确了波动相位调制的可行性，并进一步为多功能波动控制装置的仿生设计提供了必要的分析、设计和实验方法。项目研究成果在应用物理TOP期刊APL，固体力学重要期刊IJSS、EML、AMSS，英国皇家学会综合性刊物JRS Interface，经典声学期刊JASA上共发表论文6篇。申请国家发明专利4项，其中1项已获授权。项目期间培养4名硕士研究生，其中2名顺利毕业并获得学位。在项目资助下，申请人参与了第二十一届国际复合材料大会、2018年全国固体力学学术会议、第三届全国生物力学青年学者学术研讨会等国内外学术会议并做学术报告4次。