声学超材料的协同耦合理论及新物理特性研究

Acoustic metamaterials with negative dynamic effective parameters provide a new design idea for low frequency vibration and noise control, acoustic cloak of underwater equipment, and other new acoustic function devices. This project aims to develop a set of thin-plate structures that could meet the requirements of lightweight, strength and durability. Through the introduction of the basic idea of cooperative behavior and synergy among components, we hope to develop a synergistic coupling design theory to guide the acoustics metamaterials design and the development of many acoustic functional devices from the perspective of system engineering. Here the synergistic coupling refers to that some specific functions could be realized through a certain collaboration between the components in a system, and the purpose is obtaining more powerful functional devices by more systematic design methods. The research covers the construction of the innovative theoretical framework, the functional structure and device design, the representation of special physical phenomena and the application promotion to ensure the frontier, systematic, basic and practicality of the project. Through this project, we hope to give the solutions for the following two scientific problems: (1) realize the dynamic effective parameters solution for arbitrary complex acoustic metamaterial structures; (2) achieve the synergy design of acoustic metamaterial and the macro-micro multiscale structure design. The project could provide the basis for the dynamic effective parameters solution in complex acoustic metamaterials, and the acoustic metamaterials design through synergistic and macro-micro multiscale designs.

具有负动态等效参数特性的声学超材料为低频振动噪声控制、水下装备声隐身和新型声学功能器件设计等提供了全新的思路。本项目拟立足轻质、高强度及高耐久度的薄板类结构，通过引入组件间的协同行为和协同论的基本思想，以系统工程的视角发展一套用以指导声学超材料及由此发展而来的诸多声学功能器件设计的协同耦合设计理论。这里的协同耦合是指系统各组分间通过一定的协作，来完成一些特定的功能，目的是以更具系统性的设计方法获得功能更强大的功能器件。研究涵盖创新性理论体系的构建、功能结构及器件的设计、特殊物理现象的表征手段和应用推广等几个层面，以确保项目的前沿性、系统性、基础性和实用性。通过本项目的开展，拟解决如下两个科学问题：（1）复杂声学超材料结构的动态等效参数求解方法；（2）声学超材料的协同设计和由此派生发展出来的宏观-微观多尺度结构设计方法。项目可为复杂声学超材料结构动态等效参数求解和新型微结构的设计等提供依据。

国家自然科学基金“十三五”发展规划中明确给出了基金委各科学部优先发展领域及主要研究方向，其中，新型无机功能材料是工程与材料科学学部的优先发展领域之一，而超材料的结构设计原理及其新效应器件则是该领域的四大主要研究方向之一。本项目的内容紧密围绕着该研究方向，以发展声学超材料结构的创新设计方法为主线，开发性能优异的新型声学功能器件为目标。. 项目的主要内容和结论如下：（1）理论研究方面，系统地发展了复杂声学超材料结构中的等效介质理论，推导了主要等效参数的求解方法。（2）微结构设计方法方面，提出并系统地发展了普遍适用的协同耦合超材料设计方法，并采用这种方法设计了多种轻质薄壁声学超材料结构，实现了低频宽带超强隔声、低频宽带超强吸声、宽带声隐身、低频宽带亚衍射和亚波长声聚焦、低频宽带多极化弹性波操纵和超轻低频吸振。（3）研究体系拓展方面，除了将声学超材料结构体系从宏观体系拓展到了宏观-微观多尺度体系，还系统地将薄膜声学超材料结构体系拓展到了薄板和薄壳超材料体系。（4）工程应用和成果落地方面，突破了轻质薄壁声学超材料结构的低频宽带超强隔声技术，并推广到大尺寸应用情形；提出多阶多元胞协同耦合大宽带吸声超材料结构设计方法，成果应用于国际上首例声学超材料全消声室建设中；发明了附加重量最轻的低频吸振技术，推广到民用客机低频减振应用中；突破了水声亚波长聚焦技术，推广到国防装备开发中。. 本项目的研究工作不但具有广泛的学术价值，还具有重要的应用推动意义。学术价值方面，所发展的复杂声学超材料结构等效介质理论和等效参数方法广泛适用于各类工程结构的设计中；协同耦合设计方法对设计性能更加优异的声学功能材料和器件具有广泛的指导意义；宏观-微观多尺度设计极大地拓宽了功能材料和器件的研究体系。工程应用价值方面，所设计的功能结构不但可应用于民用的低频宽带减振降噪，还可用于国防装备隐蔽性提升和探测能力提升。