基于声子玻璃的水声超材料低频吸声特性及实验测试研究

Acoustic metamaterial is the artificial periodic structure which has special properties(“Negative mass”, “Negative elasticity modulus”, “Local resonance”), expand the connotation of acoustic material and its application field greatly. Phonon glass material is a new Underwater sound-absorbing material and has broadband strong sound-absorption characteristics in the underwater environment. But its low frequency sound-absorbing mechanism, especially how to increase low frequency sound-absorbing characteristic, and sound propagation laws et al have not be solved up to now. This project imitate turbulent statistical mode firstly and study low frequency energy dissipation mechanism and the dispersion theory in phonon glass material; use the design method of acoustic metamaterial secondly, reconstruct a new underwater acoustic metamaterial and study its underwater sound propagation laws; then study the sound-absorption performance optimization design method as the objective function for low frequency sound-absorbing characteristic using intelligent optimization algorithms; lastly finish the samples and corresponding underwater acoustic pipe experiment. Project is expected to create a new situation in the field of underwater sound-absorbing material, has potential application value on the basis of low frequency vibration noise reduction research.

声学超材料是具有很多自然材料所不具备的特殊性质（“负质量”、“负弹性模量”、“局域共振”等）的人工周期结构，极大地扩展了声学材料的内涵及其应用领域。声子玻璃材料是一种高压环境下具有宽频强吸声特性的新型水下吸声材料，然而声子玻璃材料内在的低频吸声机理，特别是如何提高其低频吸声特性，及在高静压、大变温下的声传播物理规律等一系列基础研究问题尚未被解决。本项目首先借鉴湍流统计模型，研究声子玻璃材料的低频能量耗散机理和色散理论；然后利用声学超材料的设计思想，重构出新型水声超材料，继而研究该结构在水下复杂环境下的声传播规律；紧接着利用智能优化算法给出以低频吸声特性为目标函数的吸声性能优化设计方法；最后制作样件，完成水声管实验。项目有望在水下吸声材料领域开辟全新的局面，在低频减振降噪的基础研究方面具有潜在的应用价值。

项目背景：传统水下吸声材料面临的主要问题是其在低频及高静水压力下吸声性能差的问题。声子玻璃作为新型水下吸声材料，可用于具有宽频强吸声特性的消声覆盖层。将声学超材料概念和理论引入到水声材料（声子玻璃）设计中，形成具有优良低频宽带特性的复合水声超材料，是一种针对声学超材料的面向于水下的应用拓展研究，同时也丰富了水下吸声材料的理论研究。.主要研究内容：本项目利用目前空气声中的声学超材料的方法理论结合声子玻璃材料的抗压性能，对声子玻璃材料进行单元几何重构并进行周期性组合，形成水声超材料，开展水声超材料结构的低频波传播特性及应用研究，为其应用于低频声学覆盖层提供必要的理论指导，为其在一些极端环境如高静压、大变温条件下的设计提供参考。.重要结果：在项目开展过程中，本人发表SCI论文十余篇，入选高被引论文一篇，文章引用370余次，出版学术专著两部，分别是《超材料低频振动噪声控制研究及应用》、《声子晶体减振降噪特性分析研究及应用》。并获批军委科技委“基础加强”项目、中国博士后科学基金特别资助与面上资助、陕西省博士后一等资助、陕西省科协青年人才托举计划项目、航空基金六项。在本人研究中，提出螺旋空腔水下覆盖层结构以及填充局域谐振子的空腔覆盖层结构，经水声管实验证明，相对于传统覆盖层，该结构能够在1kHz以内实现高吸声特点。本人进一步研究提出空间折叠梁声学黑洞结构，能够对弯曲波和纵波进行同时衰减，该成果入选高被引论文。本人借助于人工智能算法（教学模型）对多孔聚氨酯海绵的内嵌插板进行结构优化，结果表明可以再0-10kHz内实现高于0.92的准完美吸声效果。.关键数据以及科学意义：项目有望在水下以及空气声中的吸声结构/材料领域开辟全新的局面，在低频减振降噪的基础研究方面具有潜在的应用价值。