基于超材料的声学黑洞结构设计理论研究

As a novel material, the acoustic metamaterial with its unique properties has great applications potential in achieving perfect acoustic absorption and diffraction, and the designability of acoustic black holes have been proved. This study aims to establish a systematic approach and general method for designing acoustic black holes, which with efficient absorption performance based on the metamaterials. The main content included: (1) The propagation and transmission properties of acoustic wave in metamaterials and the acoustic coupling analysis method will be studied, the impact of propagation property affected by the damping or size effect will be analyzed, and the parametric model of propagation property depends on the geometric and material properties of the composite microstructure will be established. This will provide some auxiliary means to the realization of the acoustic black holes. (2) By using the topology optimization techniques, the description of the configuration evolution and the acoustic impedance analysis technique will be studied, the optimization method of integrated design for the acoustic black holes will be analyzed, and the formulation and the solving algorithm of designing the event horizon will be established. (3) Based on the transformation acoustics, the large and complex shape of acoustic black holes or acoustical transparent structure will be achieved, and the topology configurations of several actual material distributions will be designed.

最新研究成果已经证明了声学黑洞的可设计性，而声波超材料在实现声波的完美吸收和绕射方面具有极大的应用潜力。本项研究旨在建立基于超材料的高效黑洞吸收性能的结构拓扑优化理论和方法。具体包括：研究声波在材料中的传播和透射规律及声振耦合分析方法，分析有限尺度问题的阻尼、尺度效应对声波传播的影响规律，建立声波传播特性参数对微结构描述参数的依赖关系，为声学黑洞的实现提供辅助的分析手段；研究微结构构型演化的描述方式以及声阻抗分析技术，研究声学黑洞材料与结构一体化设计的拓扑优化方法，建立声波超材料包覆层（或视界）创新构型拓扑优化设计问题的提法和求解方法；基于声学变换方法及拓扑优化技术，实现大尺度及复杂形状的声学黑洞或声学透明，并实现实际材料分布的拓扑构型设计，最终设计几种典型的声学黑洞结构。

变换理论的提出为新型装置的设计与发展提供了强有力的工具。结合超材料这一研究热点，在波的隐身、吸收、伪装、控制等方面得到了迅速地发展，广泛应用于光、电、声、热等学科领域。本项目对声学的吸收黑洞进行了深入的研究工作，借助变换声学理论，研究了声波在材料中的传播和透射规律及声振耦合分析方法，建立了声学黑洞材料的参数化设计模型，并实现了任意形状声学黑洞的设计。通过变换理论的类比，实现了热隐身、伪装装置的设计。本项目具体研究内容与成果如下：. 1.基于变换声学的任意形状声学黑洞设计研究。借助变换声学理论，推导任意形状黑洞的参数分布函数，建立了任意形状黑洞的参数化模型，并给出了仿真结果。结果表明所提出的黑洞模型能够大幅增加吸收效率，并且具有较大的吸收带宽。. 2.一种简单的任意形状黑洞设计。由声学变换得来的声学黑洞尽管具有严格的数学推导，但却会带来较高的各向异性和不均匀性。通过和圆形黑洞的对比，提出一种简单的任意黑洞，并进行了模拟仿真。结果表明，当黑洞形状不是特别复杂时，也可以得到较好的吸收效果。. 3.多相层合带隙材料的多目标优化。通过设计周期性的微结构，获得了由多相材料组成的层合带隙材料的帕累托最优解。结果表明，对于多相材料的微结构，可以大大提高材料的带隙特性，得到更优的隔振效果，例如，更大的衰减效果和更宽的带隙范围。当材料组分为3种时，就可以达到近似全波段禁带的效果。. 4.热隐身地毯的设计及实验研究。借助变换理论，设计出一款热隐身地毯。通过仿真分析与实验验证，得到了良好的一致性。与前人的工作相比，我们的设计具有结构简单、易于制作的优点，且不依赖于目标的形状。. 5.瞬态热伪装装置的设计及实验研究。研究了瞬态热信号对装置的影响并设计了一种新颖的热学伪装装置。数值仿真和实验验证的结果表明，该装置可以完美的将目标隐藏，无论是稳态还是瞬态的情况。