基于五模材料的圆柱声隐身斗篷坐标变换设计

五模超材料具有与流体相似的物理性质,为各向异性流体的物理实现提供了途径,因此Norris提出了将其用于声隐声斗篷设计的思路.本文对Norris五模超材料声隐声斗篷设计中提出的坐标变换方程进行研究,利用有限元方法对不同坐标变换下声隐声斗篷的平均可视度进行数值计算,分析了五模超材料斗篷的隐身性能影响因素及规律.结果表明,通过选取不同的坐标变换方程改变其物性参数分布,能够调节斗篷中的声波传播路径,对声隐声斗篷的声散射特性产生明显影响.因此,选择合适的坐标变换方程能够有效改善隐身性能.     

基于亥姆霍兹共振的超薄弧形声学超表面地毯斗篷

利用局部相位补偿调制的方式设计了一种超薄的弧形声学超表面地毯隐身斗篷.该斗篷由52个亥姆霍兹空腔共振结构单元组成,且结构单元厚度小于波长的0.2倍.数值模拟结果显示:文中所设计的隐身斗篷在深亚波长范围内隐身效果良好,其工作频宽为5850—7550 Hz.进一步探究声波斜入射时地毯斗篷的工作效果,发现在30°的入射角范围内都具有良好的隐身效果.此外,利用余弦相似度(cosine similarity, CSI)函数精确量化分析了该隐身斗篷的工作性能,计算结果展示,在斗篷工作的带宽范围内,覆盖斗篷后的CSI值趋近于无斗篷覆盖地面的CSI值,展示了其在的良好隐身性.本文所设计的斗篷均以超薄的亥姆霍兹共振结构为组成单元,结构简单,易于实现,有利于未来的实际应用.     

热斗篷结构传输特性的(火积)评估模型

作为一类热隐身超材料,热斗篷结构以良好的热防护和隐身特性在航天飞行器、遥感卫星、计算机芯片表面等处得到了广泛的应用。本文基于铜和PDMS材料交替而成的多层环形超材料结构,结合实际应用,在传统圆环形热斗篷的基础上,设计出两类超材料热保护器外形——梭形和导弹形的计算模型。利用ANSYS FLUENT14.5软件分别对三种热斗篷模型和无防护涂层的平板展开数值模拟。利用(火积)理论建立热力学评价指标。最终得到对两种优化模型热隐身效果分别在不同温差下(火积)评估指标随时间的分布情况。     

基于等效参数反演的敷设声学覆盖层的水下圆柱壳体声散射研究

应用了一种等效方法计算敷设声学覆盖层无限长圆柱壳体水下声散射特性.等效方法的核心是忽略复杂声学覆盖层内部的声学结构,将其作为具有等效材料参数的均匀阻尼层进行建模,该均匀阻尼层具有和原覆盖层相同的复反射系数.进而,应用COMSOL Multiphysics软件建立敷设均匀阻尼层圆柱壳体的有限元模型并求解其声散射特性.等效方法的关键是等效材料参数的获取.采用充水阻抗管实验和有限元数值实验两种方法获取声学覆盖层贴敷在与壳体具有相同厚度、相同材料背衬条件下的复反射系数,在此基础上,基于遗传算法反演材料的等效参数.研究表明,等效参数具有频变特性,且尽管等效杨氏模量和等效泊松比在频率范围内存在较大波动,但是等效前后复反射系数仍保持一致.为了验证等效方法求解壳体声散射特性的准确性,同时建立了敷设声学覆盖层壳体的完整有限元模型,将覆盖层内部声学结构进行精细建模,并求其声散射特性.结果表明,两种方法求得的形态函数符合得较好,在整个频率范围内平均误差大约为1 d B.     

声学超构材料及其物理效应的研究进展

声学超构材料作为一种新型的人工结构材料,拥有天然材料所不具备的超常物理特性,进一步拓展了材料的声学属性.同时,声学超构材料可以实现对声波精准的、可设计的操控,以及许多新颖奇特的物理现象,如声准直、声聚焦、声场隐身、声单向传输、声学超分辨成像等,具有重要的理论研究意义和应用价值.另外,拓扑材料的研究已延伸至声学领域,声学超构材料的拓扑性质成为近年的研究热点,受到人们的广泛关注.其鲁棒性边界态具有缺陷免疫、背散射抑制的特性,应用潜力巨大.本文综述了近十几年来声学超构材料的研究概况,介绍了相关的代表性工作,包括奇异等效声学参数的超构材料、声学超构表面、吸声超构材料、声学超分辨成像、宇称时间对称性声学和拓扑声学等,阐述了声学超构材料的设计理念和方法,并对其技术挑战和应用前景进行了讨论和总结.     

圆柱形通道结构橡胶声障板

本文介绍了具有圆柱通道的橡胶水声反声障板的机理，通过静态近似得到此种橡胶声学参数的计算公式，测试了相关材料的动态力学性能，并对障板的声学特性进行了理论计算和分析，给出了不同频率下的反声性能随材料损耗因子、剪切模量及厚度的变化规律，并对模型进行了试验验证。     

基于线变换的椭圆柱外隐身斗篷的设计研究

基于线变换方法与互补媒质理论提出了线变换下的椭圆柱外隐身斗篷,并得到了相应外隐身斗篷材料本构参数张量的表达式.根据导出的本构参数张量,利用电磁仿真软件分别对不同长度线段的外斗篷进行了仿真验证,仿真结果证实了所得到的本构参数张量的正确性.这种外斗篷的材料参数只在轴向变化,横向参数为常数,易于用超介质制备.考虑到损耗对隐身效果的影响,得到了引入损耗后的外斗篷磁场分布.最后给出了本构参数的分布.本文的研究为利用超介质制备外隐身斗篷提供了一种新的可行的方法.     

含周期性空腔结构吸声机理的研究*

首先建立并验证了含轴对称空腔周期性结构吸声特性计算的简化有限元仿真方法。在水下环境,用简化的有限元模型结合遗传算法对含周期性圆柱空腔结构的吸声性能进行了优化设计。从能量耗散、变形和模态的角度分析了含周期性空腔结构的吸声机理。空腔结构谐振包括表层的弯曲振动和空腔附近粒子的径向运动,且径向运动随吸声结构厚度方向也是变化的。相对低频区主要激起表层振动模态,高频区激起径向运动模态,且径向振动对声学性能影响很大,其更有利于促进纵波转化为能量更易消散的横波。     

多重散射方法研究轴对称空腔覆盖层的声学特性

发展了一种多重散射方法研究声学覆盖层的半数值半解析模型,分析了影响轴对称空腔结构声学性能的主要能量耗散机制。在球坐标条件下推导出轴对称空腔结构的位移和应力场基函数,通过对空腔表面基函数的数值积分,得到散射波和入射波之间的传输矩阵方程,结合分层介质声传播理论计算了周期性空腔结构覆盖层的反射、透射和吸声性能。研究结果表明;空腔共振是低频能量耗散的主要形式,边界条件对材料空腔结构的谐振特性影响很大,利用双空腔耦合共振可以拓宽材料的低频吸声频带;背衬对材料的高频吸声影响较小,材料的高频能量损耗取决于空腔的散射和波型转换特性。      

膨胀腔类超材料的传递损失研究*

声学超材料及结构已被广泛研究,其超结构通常利用3D打印技术实现,当结构刚度较小或者面积较大时,由声固耦合所导致的声学效果与设计不符的情况广泛存在。本文针对含有膨胀腔类的超材料,研究了声固耦合对其声学性能的影响,采用有限元计算结合阻抗管实验的方法,得到其传递损失,分析了声固耦合现象对传递损失的影响。结果表明：薄壁膨胀腔结构的作用频率范围与只考虑声学理论计算的设计不符,声固耦合现象对传递损失产生显著影响;采用增加膨胀腔壁厚、减少膨胀腔内径或选择金属材料的方式,都可以使得声固耦合现象对传递损失的影响减小;仿真结果与实验结果基本吻合。该研究结果说明：对于膨胀腔类超材料,当刚度较小或者面积较大时,对其进行声固耦合分析是完全必要的。     

基于各向同性材料的层状椭圆柱形声隐身衣设计

基于等效介质理论, 提出了具有共焦层状结构的椭圆柱形声隐身衣设计方法. 理论分析与有限元数值模拟表明, 所设计隐身衣依然具有完美隐身衣典型特征, 可使刚性圆柱体散射场明显减小, 并且在隐身衣区域表现出波阵面弯曲的特性, 同时在隐身衣外部波阵面保持不变. 增加隐身衣离散层数可以拓宽其有效工作频带, 改善隐身效果. 由于是一种线变换隐身衣, 隐身效果受到了入射波方向的影响, 只有当入射波方向与椭圆长轴平行时效果最佳. 另外当椭圆柱焦距非常小的时候, 可近似认为是圆柱形隐身衣. 仿真实验结果证明了方法的正确性. 该研究为实现复杂形状声隐身衣提供了一种有效途径.     

Femtosecond laser ablation of neurons in <Emphasis Type="Italic">C</Emphasis>. <Emphasis Type="Italic">elegans</Emphasis> for behavioral studies

In this paper, the interaction between the inhomogeneous and anisotropic cloak covered infinitely long PEC circular cylinder and the parallel electric-line-source is investigated in detail. First, the permittivity and permeability tensors of the cloak are defined according to Pendry’s model, then the wave equation in the metamaterial cloak is derived; second, the far/near properties of the model are investigated, and using the boundary conditions the electromagnetic fields of the whole region are calculated analytically; finally, based on the analytical expressions, the electric fields of the whole region are demonstrated through numerical results which show the effects of invisibility. Finally, the effects of loss on the performance of the invisible cloak are investigated.     

Membrane-based acoustic metamaterial with near-zero refractive index

We investigate a one-dimensional acoustic metamaterial with a refractive index of near zero(RINZ) using an array of very thin elastic membranes located along a narrow waveguide pipe. The characteristics of the effective density, refractive index, and phase velocity of the metamaterial indicate that, at the resonant frequency fm, the metamaterial has zero mass density and a phase transmission that is nearly uniform. We present a mechanism for dramatic acoustic energy squeezing and anomalous acoustic transmission by connecting the metamaterial to a normal waveguide with a larger cross-section. It is shown that at a specific frequency f_1, transmission enhancement and energy squeezing are achieved despite the strong geometrical mismatch between the metamaterial and the normal waveguide. Moreover, to confirm the energy transfer properties, the acoustic pressure distribution, acoustic wave reflection coefficient, and energy transmission coefficient are also calculated. These results prove that the RINZ metamaterial provides a new design method for acoustic energy squeezing,super coupling, wave front transformation, and acoustic wave filtering.     

圆柱形分层五模材料声学隐身衣的理论与数值分析

声学隐身衣物性参数分布的连续对制备造成了很大困难, 需要采用分层的方法进行近似. 研究分层对隐身衣性能的影响具有重要意义. 本文首先推导了圆柱形分层声学隐身衣散射声压场的理论解, 然后通过数值算例验证了理论推导的正确性, 最后针对层数、层厚分布对隐身衣性能的影响进行了计算研究. 结果表明, 选取恰当的层数和层厚分布可在不增加制备难度的同时改善隐身衣性能.     

Finite-element modeling of an acoustic cloak for three-dimensional flexible shells with structural excitation

A finite-element model for three-dimensional acoustic cloaks in both cylindrical and spherical coordinates is presented. The model is developed through time-harmonic analysis to study pressure and velocity field distributions as well as the cloak’s performance. The model developed accounts for the fluid-structure interaction of thin fluid-loaded shells. A plane strain model is used for the thin shell. Mechanical harmonic excitation is applied to the fluid-loaded shell to investigate the effect of mechanical oscillation of the shell on the performance of the acoustic cloak. In developing this model, a deeper insight into the acoustic cloak phenomena presented by Cummer and Shurig in 2007 is presented. Different nonlinear coordinate transformations are presented to study their effect on the acoustic cloak performance.     

Acoustic scattering from a submerged cylindrical shell coated with locally resonant acoustic metamaterials

Using the multilayered cylinder model, we study acoustic scattering from a submerged cylindrical shell coated with locally resonant acoustic metamaterials, which exhibit locally negative effective mass densities. A spring model is introduced to replace the traditional transfer matrix, which may be singular in the negative mass region. The backscattering form function and the scattering cross section are calculated to discuss the acoustic properties of the coated submerged cylindrical shell.     

经典局域共振型水声超材料的吸隔声性能研究*

基于水声超材料吸声机理和多层平行介质平面波理论,建立局域共振型水声超材料结构,通过COMSOL进行建模计算,研究该结构的吸声性能机理,此外为了验证钢背衬的隔声性能,在该水声超材料结构基础上添加一层0.005m厚的钢背衬进行仿真对比。研究结果表明,在频段为200Hz-4000Hz时,水声超材料声学性能较好,吸声性能整体较优,且添加钢背衬的水声超材料隔声性能较优,甚至在某频率点达到15dB的隔声差值;此外通过位移场图进一步揭示水声超材料的吸声机理,发现水声超材料结构的位移场和钢背衬都对吸声性能会产生影响,钢背衬通过影响共振吸收来影响吸声性能,而位移场则通过位移幅度大小影响吸声性能。     

Temperature-controlled tunable acoustic metamaterial with active band gap and negative bulk modulus

The local resonant band gap and the negative bulk modulus of the acoustic metamaterial with Helmholtz resonators are strongly affected by the temperature of water. In this paper, the acoustic transmission line method (ATLM) is introduced to investigate the influences of the temperature of water on the local resonant band gap and the negative bulk modulus of the acoustic metamaterial. Results show that the relative variations of the local resonant band gap and the negative effective bulk modulus suffering from the change of the temperature of water are approximately equivalent and are up to about 11%. The reason is that the local resonant frequency is proportional to the sound speed of fluid which is strongly effects by the temperature of water. By achieving the unambiguous relationships between these unusual properties of the acoustic metamaterial and the temperature of water, we find that the temperature-controlled acoustic metamaterial with the active band gap and the active negative bulk modulus can be realized in theory. This idea opens a new avenue for the design of the tunable acoustic metamaterial that can modulate the acoustic wave propagation.     

基于遗传算法的五模材料分层优化*

由于超材料的微结构尺度不能忽略,利用超材料微结构所集成的器件等效参数不是连续分布的,而是呈离散分布的。因此在利用超材料设计声学器件的过程中,需要对器件进行分层离散化,而分层方案的选取往往会影响器件的工作效果。该文基于五模材料水下隐身衣的设计理论,提出了一种基于遗传算法的五模材料隐身衣分层优化策略,并分别对优化前和优化后的分层隐身衣做了声学仿真。仿真结果表明采用优化策略后,隐身衣背景声场的散射能量和反射能量均有大幅度降低,并且对窄带探测信号和宽带探测信号均有较好的隐身效果,因此该分层优化策略能够显著提升隐身衣的隐身效果。该文所提出的分层优化策略为提升五模材料隐身衣性能提供了理论支持,并可以进一步推广至其他超材料器件的微结构设计中。     

隐声衣结构设计和实验研究新进展

隐声衣是一项使物体隐藏于声场的新技术,与传统吸声方式相比,隐声衣消除回波时不会在目标背后留下声影区。隐声衣的物理实现是重点研究方向之一,利用具有特殊性质的材料或结构消除散射是获得隐声效果的主要途径。文章综述了隐声衣研究在结构设计和实验方面的几项新发展。包括基于超常材料的隐声衣、基于温度递度的隐声衣、应用反演设计方法的隐声衣、有源隐声衣等,主要介绍隐声衣机理和结构设计方面的新思想,以及新型人工材料和人工结构在隐声衣研究中的应用。