選擇性濾波聲學超材料平板結構研究

《選擇性濾波聲學超材料平板結構研究》是依託哈爾濱工業大學，由謝志民擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：選擇性濾波聲學超材料平板結構研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：謝志民

項目摘要

聲學超材料由於表現出自然界材料不易出現的特異行為而受到國內外廣泛關注。它的研究涉及物理、力學、材料等多學科難點問題，對其中科學問題的研究具有重要的理論意義和套用價值。本申請基於振動吸收器原理，研究以橡膠薄膜、集中質量為子結構胞元的聲學超材料設計與分析等問題。採用分數階本構描述薄膜材料阻尼特性、多項式函式表征材料非線性剛度，建立結構動力學分析模型，利用有限元技術並結合試驗研究超材料平板結構的振動特性及帶隙效應。通過對結構振動光學模式的識別，確定超材料平板工作頻率。建立薄膜子結構胞元尺寸及胞元間距與超材料平板振動特性關聯關係，對不同類型單層平板組合的多層平板，考慮約束條件及子群分布等因素，研究帶隙行為及濾波特性，在此基礎上提出多層平板結構設計方法。本研究將揭示薄膜材料粘彈性、預應力、邊界約束等因素對聲學超材料平板濾波性能的影響規律，為寬頻帶選擇性濾波聲學超材料結構設計與套用提供依據。

結題摘要

薄膜型聲學超材料由於輕薄的特點，在低頻濾波領域具有很高的套用價值，然而其頻率帶隙窄的特點限制了它的套用。為實現寬頻帶選擇性濾波，本項目從單層結構和多層結構組合兩方面研究實現寬頻帶濾波。在薄膜聲學超材料研究中，薄膜材料一般採用的是線彈性模型，因此結構帶隙頻率與激勵頻率無關。當考慮材料的粘彈性行為後，我們發現帶隙頻率是與外部激勵頻率相關的，而且隨著材料阻尼的增加，負等效質量的變化增大，但在一定條件下，阻尼對等效質量幾乎沒影響。根據這一結論，有可能通過材料阻尼設計開發出可變頻率禁帶的超材料，從而擴大噪聲控制套用範圍。在單層結構設計上，提出了具有自相似結構的薄膜聲學超材料平板結構，利用有限元技術並結合試驗研究了超材料平板結構的振動特性及帶隙效應，通過分析多層自相似結構聲學超材料板的傳遞特性，建立了板間距、組合數等參數的多層結構設計方法。研究表明，通過自相似質量環的控制可實現波的選擇性過濾。研究結果可套用於噪聲控制領域。為拓展聲學超材料結構套用範圍，在多層聲學材料板結構研究基礎上，提出了多層聲、熱複合隱身功能超材料概念，開展了多層結構的熱性能設計，通過不同材料性能組合可實現熱隱身，降低了熱隱身衣開發難度，為聲、熱多功能隱身材料的開發提供了依據。可以預計，複合隱身超材料在國防領域有極大套用價值。