《基於超材料的聲學黑洞結構設計理論研究》是依託瀋陽航空航天大學，由許衛鍇擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於超材料的聲學黑洞結構設計理論研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：許衛鍇
- 依託單位：瀋陽航空航天大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
最新研究成果已經證明了聲學黑洞的可設計性，而聲波超材料在實現聲波的完美吸收和繞射方面具有極大的套用潛力。本項研究旨在建立基於超材料的高效黑洞吸收性能的結構拓撲最佳化理論和方法。具體包括：研究聲波在材料中的傳播和透射規律及聲振耦合分析方法，分析有限尺度問題的阻尼、尺度效應對聲波傳播的影響規律，建立聲波傳播特性參數對微結構描述參數的依賴關係，為聲學黑洞的實現提供輔助的分析手段；研究微結構構型演化的描述方式以及聲阻抗分析技術，研究聲學黑洞材料與結構一體化設計的拓撲最佳化方法，建立聲波超材料包覆層（或視界）創新構型拓撲最佳化設計問題的提法和求解方法；基於聲學變換方法及拓撲最佳化技術，實現大尺度及複雜形狀的聲學黑洞或聲學透明，並實現實際材料分布的拓撲構型設計，最終設計幾種典型的聲學黑洞結構。
結題摘要
變換理論的提出為新型裝置的設計與發展提供了強有力的工具。結合超材料這一研究熱點，在波的隱身、吸收、偽裝、控制等方面得到了迅速地發展，廣泛套用於光、電、聲、熱等學科領域。本項目對聲學的吸收黑洞進行了深入的研究工作，藉助變換聲學理論，研究了聲波在材料中的傳播和透射規律及聲振耦合分析方法，建立了聲學黑洞材料的參數化設計模型，並實現了任意形狀聲學黑洞的設計。通過變換理論的類比，實現了熱隱身、偽裝裝置的設計。本項目具體研究內容與成果如下：1.基於變換聲學的任意形狀聲學黑洞設計研究。藉助變換聲學理論，推導任意形狀黑洞的參數分布函式，建立了任意形狀黑洞的參數化模型，並給出了仿真結果。結果表明所提出的黑洞模型能夠大幅增加吸收效率，並且具有較大的吸收頻寬。2.一種簡單的任意形狀黑洞設計。由聲學變換得來的聲學黑洞儘管具有嚴格的數學推導，但卻會帶來較高的各向異性和不均勻性。通過和圓形黑洞的對比，提出一種簡單的任意黑洞，並進行了模擬仿真。結果表明，當黑洞形狀不是特別複雜時，也可以得到較好的吸收效果。3.多相層合帶隙材料的多目標最佳化。通過設計周期性的微結構，獲得了由多相材料組成的層合帶隙材料的帕累托最優解。結果表明，對於多相材料的微結構，可以大大提高材料的帶隙特性，得到更優的隔振效果，例如，更大的衰減效果和更寬的帶隙範圍。當材料組分為3種時，就可以達到近似全波段禁帶的效果。4.熱隱身地毯的設計及實驗研究。藉助變換理論，設計出一款熱隱身地毯。通過仿真分析與實驗驗證，得到了良好的一致性。與前人的工作相比，我們的設計具有結構簡單、易於製作的優點，且不依賴於目標的形狀。5.瞬態熱偽裝裝置的設計及實驗研究。研究了瞬態熱信號對裝置的影響並設計了一種新穎的熱學偽裝裝置。數值仿真和實驗驗證的結果表明，該裝置可以完美的將目標隱藏，無論是穩態還是瞬態的情況。
