全浸没钢板边界条件下声学超材料水声吸声机理与调控方法研究

The underwater acoustic coating is a kind of structure made of sound absorption materials, which is often attached to the surface of the submarine. It is a key component to isolate the internal radiated noise and absorb the external sound waves from sonar. There is high demand for low-frequency sound absorption performance of the acoustic coating, with the development of underwater acoustic detection technology. The concept of acoustic metamaterials has provided new ideas for the design of acoustic coating. For the fully immersed steel plate condition, which is a typical underwater application condition of the acoustic coating, we use theoretical analysis together with numerical simulation and experimental test to explore new effects of low frequency sound absorption in acoustic metamaterials and to design a multi-mechanism coupled meta-structure, thus achieving the required sound absorption performance. In this project, we will study the mechanisms of energy dissipation in the composite meta-structure, and the interaction between the metamaterial coating and the fully immersed steel plate. The output of this project will be helpful for the understanding of acoustic absorption mechanism of metamaterials, and are expected to promote the development of underwater acoustic stealth technology.

由水声吸声材料构成的声学覆盖层是敷设在潜艇等水下装备结构表面，用于隔离内部辐射噪声和吸收外部探测声波的关键部件。随着水声探测技术的发展，声学覆盖层对低频吸声的需求迫切。声学超材料的低频吸声特性为声学覆盖层的设计提供了新的思路。本项目针对全浸没钢板边界这一声学覆盖层的典型工作环境，将理论分析、数值模拟和实验研究相结合，探索声学超材料低频水声吸声新效应，并设计多机理耦合声学超材料复合结构，从而实现水声的低频宽带吸声调控。项目围绕声学超材料复合结构中的能量耗散机理、超材料覆盖层与全浸没钢板边界之间的耦合作用机理及整体能量表征等关键科学问题开展系统深入研究。项目的研究结论将有助于加深对声学超材料吸声机理的认识，并有望推动水下装备声隐身技术的发展。

双壳体结构是水下装备的典型壳体结构，其外壳表面敷设的声学覆盖层可以吸收外部入射声波及抑制内部噪声向外辐射，是实现水下装备声隐身的关键部件。由于外壳部分一般由一层钢板构成，且两侧均为海水，在声学上可以简化为声学覆盖层的全浸没钢板应用边界。本项目针对这一重要的边界条件，将声物理前沿的声学超材料思想引入到声学覆盖层的设计中，在理论分析方法、结构设计、声调控机理等方面开展了系统深入的研究。.项目主要研究内容及取得的重要成果包括以下几个方面：.(1) 通过对全浸没钢板边界条件下声学超材料覆盖层体系的子结构分解及周期元胞的轴对称等效，建立了全浸没钢板边界条件下声学超材料覆盖层声学特性的高效计算方法，为其结构设计与机理分析提供了方法工具。.(2) 从振动模式、耗散分布、共振散射等角度，深入分析了声学空腔型、局域共振型声学超材料覆盖层在全浸没钢板边界条件下的吸声机理，为低频宽带吸声设计提供了理论指导。.(3) 在系统分析声学空腔、局域共振单元等典型超材料结构声调控特性的基础上，构建了一种由声学空腔与局域共振结构耦合的多机理复合声学超材料覆盖层体系，在全浸没钢板边界条件下形成低频宽带吸声效果。.(4) 结合数学优化算法，建立了声学超材料覆盖层优化设计方法，通过优化设计得到了若干设计方案，并对其中一种设计方案进行了试验验证，水声声管测试结果表明经优化设计的超材料覆盖层可实现低频宽带吸声，达到降低声波反射与透射的效果。.本项目研究为全浸没钢板边界条件下的水声调控及声隐身应用提供了重要的理论指导和技术支撑。