这篇文档属于类型a，是一篇关于仿生虾钳装置空化效应的实验研究原创论文。以下是详细的学术报告：

主要作者及机构
本研究的通讯作者为Hang Yin（东南大学能源与环境学院）和Chen Zhang（南京航空航天大学机电学院），第三作者Jinlong Heng来自苏州华颤航天电器有限公司。研究成果发表于Elsevier旗下期刊《Ocean Engineering》第286卷（2023年），论文标题为《Experimental study on cavitation effect of claw apparatus of bionic snapping-shrimp under submerged condition》。

学术背景
研究领域为仿生空化工程（bionic cavitation engineering）。传统水下声学干扰器体积庞大且结构复杂，易暴露蛙人部队。受枪虾（snapping shrimp）高速闭合螯肢产生空化噪声（cavitation noise）的启发，作者团队设计了一种新型仿生虾钳装置，旨在开发小型化、隐蔽性强的高效水下通信干扰设备。枪虾螯肢闭合时可在0.6毫秒内产生190–218分贝的声压和高达4500℃的瞬时温度，这种空化效应（cavitation effect）具有显著的军事应用潜力。研究目标包括：(1) 设计简化结构的仿生虾钳装置；(2) 量化其空化侵蚀效应；(3) 分析空化噪声特性。

研究流程与方法

1. 仿生装置设计与制造

   • 结构简化：通过微CT扫描枪虾螯肢三维形态（70%乙醇溶液中），提取几何轮廓曲线，将螯肢简化为矩形连接曲面结构，采用304不锈钢和五轴CNC微铣技术加工（图3.1–3.3）。
     
   • 驱动模块：选用并联双扭簧（刚度系数k=16.34 N·mm/deg）模拟瞬时闭合，通过Runge-Kutta法求解微分方程（公式3-1），确保螯尖速度达26–32 m/s。
     
   • 空化效率计算：基于能量守恒定律，输入能量（扭簧释放13.24 J）转化为空化泡膨胀功（1.82×10⁻² J）和汽化热（3.37 J），效率达25.6%，显著高于激光诱导空化（5.8–19.3%）等传统方法（表3.4）。
     

2. 空化侵蚀实验

   • 实验设计：采用1:5放大模型，以50 μm铝箔为靶材，靶距35–53 mm（间隔2 mm），每组闭合20次（图4.1–4.2）。
     
   • 图像分析：通过光学显微镜观测空蚀坑，定义影响系数q₁（空蚀区面积/铝箔面积）和聚焦系数q₂（空蚀集中区面积/射流截面积）。迭代法二值化处理图像（图5.4–5.5），计算空蚀面积。
     
   • 关键结果：靶距43 mm时空蚀坑直径最大（0.45 mm），41 mm时面积峰值达6379.1像素（图5.6）；q₁和q₂随靶距呈先增后减趋势（表5.1），表明空化效应存在最优靶距。
     

3. 空化噪声实验

   • 信号采集：使用LST-SH100水听器，测量5/15/25 cm距离及6种初始角度（15°–90°）下的噪声（图4.3–4.4）。
     
   • 信号处理：三层小波包分解（db4小波基），重构能量集中的（3,4）小波包，通过功率谱分析（PSD）获取声压级（图5.11–5.14）。
     
   • 频率特性：噪声主频段4167–1272 kHz，500–700 kHz能量密度突出（图5.14），声压级达201.6 dB（90°初始角）。15°时机械噪声占比显著（能量比11:4）。
     

主要结果与逻辑关联
1. 结构优化验证：简化设计保留了枪虾螯肢的流体聚焦特性，扭簧驱动方案满足高速闭合需求（图3.4），为后续实验提供稳定能量输入。
2. 空化效应量化：靶距41–43 mm时空蚀最强，证实空化泡在特定流场位置充分发展并溃灭（图5.2–5.3），二值化数据（表5.2）为军事应用中靶距设定提供依据。
3. 噪声干扰能力：200 dB级声压及宽频特性（图5.18）满足水下通信干扰需求，小波包分解（图5.13）有效分离机械噪声与空化噪声。

结论与价值
1. 科学价值：揭示了仿生虾钳装置的空化能量转换机制，提出基于扭簧驱动的瞬时空化模型，为仿生空化理论补充实验数据。
2. 应用价值：装置体积小、隐蔽性强，可集成至单兵装备，解决传统声学干扰器的暴露风险。空化噪声频段覆盖典型水下通信频带（如声呐信号）。
3. 军事意义：为蛙人部队提供便携式通信干扰方案，亦可拓展至水下清洗、医疗等民用领域。

研究亮点
1. 方法创新：首次结合CT重构与CNC加工实现枪虾螯肢的工程简化，开发并联扭簧驱动系统（图3.5）。
2. 分析技术：改进迭代法二值化算法（公式5-2），解决铝箔反光干扰；小波包能量分析（图5.13）提升空化噪声识别精度。
3. 跨学科融合：融合流体力学、材料科学和信号处理，建立仿生空化装置的完整评估体系。

其他发现
1:1.5比例模型的声压级仅50 dB（图5.19），表明空化效应具有显著尺寸依赖性，放大设计更适用于工程化应用。后续研究可探索材料（如钛合金）对空化性能的影响。

（注：原文中图/表引用均保留自原文献编号，专业术语如”cavitation erosion”首次出现译为“空化侵蚀”并标注英文。）