双锥型五模材料低频声波调控及参数设计

为有效控制噪声并进行声波调控,构造了双锥区域为TC4钛合金、节点区域为硫化橡胶的六边形排列双锥五模材料,进行能带分析发现其具有较窄的低频声子带隙和单模传输区域。为提高五模材料的低频声波调控性能,设计了正方形和三角形排列构型,结果表明三角形排列的双锥五模材料带隙的频率更低,带宽更宽,且具有单模传输性能和较好的五模特性。此外分别探究了五模材料构型的材料参数(包括双锥区和节点区的密度、泊松比和杨氏模量)以及几何参数(包括双锥宽和节点半径的变化)对带隙及单模传输区域的影响,得到带隙和单模传输区的变化规律,选择密度较轻的填充材料、较小的双锥宽和较大的节点半径不仅可以提高低频声波调控性能,而且可以降低结构质量,提高结构的稳定性。该文结果对用于低频声波传播调控的五模材料的构型和参数的设计具有一定的借鉴意义。     

五模声学超表面理论分析与定向反射声学仿真*

以广义斯奈尔定律为理论依据,对五模声学超表面定向反射的基本原理进行了解析推导和理论分析,获得了五模超表面的理想连续物性参数分布,并给出了五模超表面尺寸设计准则;然后将超表面离散,获得离散单胞的密度和体积模量,并以此为目标进行五模微结构设计,采用均匀化理论计算微结构的等效物性参数;最后,进行了水下声场的声波定向反射调控仿真实验,研究了入射波频率对超表面定向反射性能的影响,仿真结果展现了五模超表面宽频有效的声波调控能力以及调控的可靠性和准确性。本文的研究工作为五模声学超表面的设计和物理实现提供理论指导。     

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。     

低频声波的定向辐射

实现低频声波在空间中的定向传播,是一个迫切需要解决的关键科学问题。为实现低频声波的定向传播,要考虑影响声波指向性的因素：声源辐射面积、辐射面结构和所辐射声波的频率。而影响声波传播的因素有：(1)媒质的性质,例如声阻抗、声衰减;(2)边界条件,不同的边界会产生声波不同的传播模式,例如点源在不同边界附近的辐射表现(点声源在声学硬边界表现为单级子的指向性,即全指向性;点声源在声学软边界为偶极子的指向性,呈现为八字型,具有一定的指向性);(3)结构的控制,例如通过米氏共振结构来控制低频声波的传播。文章简要介绍了影响声波传播的因素和控制声波传播的方法,并主要从边界条件和结构控制两方面来说明如何实现低频声波的定向辐射。     

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。     

基于相位调控的超高透射声学超表面及其应用*

声学超表面可以灵活有效地对声波进行调控,实现多种新颖的现象和功能,在诸多声波调控领域有潜在的应用前景。该文引入了一种镀膜型迷宫结构单元,可以提供全范围(0~2π)的突变相位,具有高效的透射率(~100%)和较好的鲁棒性。基于相位调控,可利用镀膜型迷宫结构单元构建出超高透射超表面,实现异常声折射、声聚焦、声束沿任意凸轨迹弯曲传播以及声成像等应用。     

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.     

声学超构材料

2000年报道的具有局域共振带隙的声学材料是声学超构材料的前身,也是最早实现的声学超构材料.同光学、电磁超构材料一样,近年来声学超构材料也引起了许多学者的研究兴趣.文章介绍了到目前为止声学超构材料的主要研究进展,内容包括含共振单元的声学超构材料的负有效声学参数（包括质量密度、体模量等）的实现,以及不含共振单元的声学超构材料的一些有效声学参数的确定等,最后对声学超构材料的可能应用进行了简单展望.     

可用于隔声和带隙调控的五模式超材料

为了利用在声学领域极具应用前景的双锥型五模式超材料进行隔声降噪,提出一种双锥宽直径不全同型五模式超材料.利用有限元方法分析了其声子能带结构、各波模相速度、品质因数随结构与材料参数的变化关系,在实用性和稳定性上与窄直径不同型五模式超材料作了比较.宽直径不全同型五模式超材料在保持原始五模式结构单模传输能带的前提下,还产生了更低频、宽带的三维完全带隙,且结构更稳定,重量更轻。双锥型五模式超材料在特定宽直径不同时具有三维完全带隙,品质因数主要由结构参数决定,各材料参数只是不同程度地影响带隙的绝对宽度和位置.研究结果表明双锥宽直径不全同型五模式超材料有望用于带隙调控和隔声。     

二维磁流变包层声学超材料*

该文构建了以钨为内核、环氧树脂为基体、磁流变弹性体作为包层的二维局域共振型声学超材料,采用有限元方法分析了声波的能带结构、透射率、振动模。研究结果表明:利用外磁场可以调控磁流变弹性体包层的弹性模量,从而调节声学超材料带隙的中心位置和宽度,还可以通过改变磁流变弹性体包层的厚度来调节带隙的中心位置和宽度。这些方法对可调型声学超材料的设计有重要的参考意义。     

Interplay of local resonances and Bragg band gaps in acoustic waveguides with periodic detuned resonators

This letter is concerned with acoustic wave propagation and transmission in acoustic waveguides with periodically grafted detuned Helmholtz resonators. The interplay of local resonances and Bragg band gaps in such periodic systems is examined. It is shown that, when the resonant frequencies of the resonators are tuned close to a Bragg band gap, the behavior of the Bragg band gap can be affected dramatically. Particularly, by introducing appropriately tuned resonators, the bandwidth of a Bragg band gap can be reduced to zero, leading to a very narrow pass band with great wave attenuation performance near both band edges. The band formation mechanisms of such periodic waveguides are further examined, providing explicit formulae to locate the band edge frequencies of all the band gaps, as well as the conditions to achieve very narrow pass bands in such periodic waveguides.     

Theoretical investigation of the sound attenuation of membrane-type acoustic metamaterials

Membrane-type acoustic metamaterials have been recently shown to exhibit good performance of sound attenuation in a low frequency range. An analytical approach for the fast calculation of sound transmission loss of the membrane-type acoustic metamaterials is presented here. The discussion indicate that the first transmission loss valley and the transmission loss peak depend strongly on the attaching mass, while the second transmission loss valley is mainly influenced by the membrane properties. The effects of membrane tension and mass position on the transmission loss and characteristic frequencies are also discussed in detail.     

Phase modulation of acoustic vortex beam with metasurfaces

We present a new acoustic metasurface structure to generate the stable acoustic vortex beams with controllable topological charge in the broadening of operating frequency. The proposed acoustic metasurface can dynamically achieve a full span of 360° phase modulation by three simple solutions. Acoustic plane beam and acoustic vortex beam can convert each other based on multi-metasurfaces combination. Potential applications of such phase modulation schemes can be anticipated.     

Hybrid phononic crystal plates for lowering and widening acoustic band gaps

We propose hybrid phononic-crystal plates which are composed of periodic stepped pillars and periodic holes to lower and widen acoustic band gaps. The acoustic waves scattered simultaneously by the pillars and holes in a relevant frequency range can generate low and wide acoustic forbidden bands. We introduce an alternative double-sided arrangement of the periodic stepped pillars for an enlarged pillars’ head diameter in the hybrid structure and optimize the hole diameter to further lower and widen the acoustic band gaps. The lowering and widening effects are simultaneously achieved by reducing the frequencies of locally resonant pillar modes and prohibiting suitable frequency bands of propagating plate modes.     

Exploration of amphoteric and negative refraction imaging of acoustic sources via active metamaterials

The present work describes the design of three flat superlens structures for acoustic source imaging and explores an active acoustic metamaterial (AAM) to realise such a design. The first two lenses are constructed via the coordinate transform method (CTM), and their constituent materials are anisotropic. The third lens consists of a material that has both a negative density and a negative bulk modulus. In these lenses, the quality of the images is “clear” and sharp; thus, the diffraction limit of classical lenses is overcome. Finally, a multi-control strategy is developed to achieve the desired parameters and to eliminate coupling effects in the AAM.     

浅层地下物体的高分辨声波探测

本文对地下物体的声波探测进行了初步研究，分析了探测分辨率与声波频率的关系，得出了黄土介质中声波探测的分辨极限，通过对实际目标的探测表明，该方法具有一定的实用性。     

混凝土材料声发射技术研究综述

本对混凝土材料声发射技术研究的历史，现状及涉及的领域进行了概括与总结。对混凝土材料声发射机理，声发射参数与力学参数间的关系。声发射在断裂力学中的应用，混凝土材料的凯塞效应与应用以及现代非线性理论和方法与声发射技术的结合等问题进行了评价与展望。