非线性磁敏感声子晶体弹性波传播特征及其带隙调控研究

Phononic crystals have wide potential applications in engineering practice, such as in acoustic suppression, ultrasound imaging, thermal control technology, defense industry, aerospace. The effective tunability of the band gap and wave propagation characteristics is one of the key problems in this area. As a new kind intelligent material phononic crystal, the magneto-sensitive phononic crystal can not only realize the magnetic tunability of band gap, but also contain the fruitful nonlinear dynamic behaviors, it is very necessary to conduct the research on this field. Based on these, this project will conduct some research works focused on the wave propagation characteristics and band gap’s tunability, which are: 1) build a complete theoretical frame and find a new effective quantitative analytical approach, to reveal the influence rules of the applied magnetic field, physical, geometrical and materials’ parameters on the elastic wave propagation characteristic and band gap tunability of the nonlinear magneto-sensitive phononic crystals; 2) study the spatiotemporally modulation mode and the realized necessary conditions of the magneto-sensitive phononic crystals for nonreciprocal wave propagation; 3) conduct some basic experiments on the wave propagation and band gap tunability of magneto-sensitive phononic crystals. After that, a multi-field coupling, multi-nonlinear theoretical frame of the wave propagation in magneto-sensitive phononic crystals will be built, and the effective quantitative analysis approach and code will be developed and some rules about the band gap tunability will be revealed. All these will be provided a theoretical support for the design, analyses and test of the new, controllable and multi-functional phononic crystals and acoustic metamaterials, structures and devices.

声子晶体在声学抑制、超声成像、热控技术、国防工业、航空航天领域具有十分重要的应用前景，对其弹性波传播特征和带隙进行有效调控是这一领域的核心问题。磁敏感声子晶体作为一种新型智能声子晶体，不仅可以实现其带隙的磁场调控，而且蕴含丰富的非线性动力学行为，展开这一领域的研究十分必要。基于此本课题围绕非线性磁敏感声子晶体的弹性波传播特征及带隙调控展开研究，拟对其：1）建立完备的理论分析框架，寻求有效的非线性定量分析手段，揭示外加磁场、物理、几何和材料参数对其弹性波传播特征及带隙调控的影响规律；2）研究其弹性波单向传播的时空磁场调控模式及实现条件；3）展开相应的基础实验研究。通过这些研究：建立和完善磁敏感声子晶体弹性波传播的多场耦合非线性理论体系，编制有效的定量分析程序；揭示带隙磁场调控的特征和规律，进而为新型的、具有可调控和多功能特征的声学器件和声超材料、结构和装置的设计、分析和测试提供必要的支撑。

声子晶体作为一种人工制备的周期材料结构，在声学抑制、超声成像、热控技术、国防工业、航空航天领域具有十分重要的应用前景，对其弹性波传播特征和带隙进行有效调控是这一领域的核心问题。磁敏感声子晶体作为一种新型智能声子晶体，不仅可以实现其带隙的磁场调控，而且蕴含丰富的非线性动力学行为，展开这一领域的研究十分必要。本课题围绕几类磁敏感材料（超磁致伸缩型、磁流变弹型、硬磁软颗粒性、磁颗粒链型）声子晶体展开深入研究：1）建立了板柱型（或空穴板柱型）磁致伸缩型声子晶体模型，探讨了磁场幅值、预应力、磁滞、几何尺寸等因素对其带隙特征的影响，揭示了蹦极效应（Trampoline effect）对其带隙调控的影响规律；2）建立了点缺陷型磁弹型声子晶体分析模型，研究了其缺陷带特征和能量收集特性，指出增加外加磁场幅值和预应力均会使收集到电压值升高；3）针对弹性波传播路径的调控，依据广义Snell定律和谷霍尔效应类比，分别设计了磁流变弹超表面结构和磁致伸缩型拓扑声子晶体结构，在此基础上实现了在两种结构内部波传播任意路径和异常传播行为的磁场调控；4）利用了遗传算法对凹凸十字孔型磁流变弹声子晶体的填充方式和磁场施加方式进行了拓扑优化设计，在给定频率范围内，通过对其填充方式的优化可使其相对带隙宽度增加近2倍；通过对磁场加载方式的优化，可使其相对带隙宽度增加约10%。通过这些研究，完善了磁弹性声子晶体波动力学问题的多场耦合非线性理论分析框架，丰富了磁弹性声子晶体定量分析手段和实验测试技术，揭示了磁弹性声子晶体带隙及波传播行为磁场调控的规律，搭建了相关的实验测试平台。为新型的、具有可调控和多功能特征的声学器件和声超材料、结构和装置的设计、分析和测试提供必要的支撑。在该项目的支持下，课题组发表高水平学术论文13篇，授权专利1项， 培养从事磁敏感功能材料和结构研究的博士2名，硕士3名，在读博士2名，硕士2名。较好的完成了课题的各项研究内容和预设目标。