力-电耦合弹性波超构材料的宽低频波调控机理与设计

Active elastic metamaterial based on electromechanical coupling has broadband tunability, lightweight structure and self-adaptive ability which can be leveraged to solve challenging problems in low-frequency vibration suspension as well as dedicated elastic wave manipulation for many engineering structures. In this project, we will investigate and solve some critical problems associated with both the fundamental theory and the engineering application of active elastic metamaterial with joint force of theoretical modelling, numerical simulation and experimental characterization. The project will cover: (1) feed-back control and dynamic homogenization of active elastic metamaterial based on electromechanical coupling; (2) numerical-based multi-physics effective model, microstructure design and tunable anisotropic mass density; (3) digitalized feed-back control circuit for broadband wave control; (4) the experimental investigations on controllable low-frequency/broadband vibration suspension and self-adaptive elastic wave control. .The project aims at providing key solutions to the fundamental problems in electromechanical coupling based active elastic metamaterials and their applications in low-frequency vibration suspension and dedicated elastic control for engineering structures.

基于力-电耦合的主动式弹性波超构材料具有等效性质宽带可调，结构轻质紧凑以及可实现自适应波控等优势，是用于工程结构宽低频隔振及智能弹性波控制的一种创新且极具前景的方法。课题将通过理论、数值和实验相结合的途径对这一方法展开系统研究，主要包括：（1）研究力-电耦合弹性波超构材料的宽低频波控机理，解决其动态均质化理论上的难题，发展主动式超构材料的反馈控制方法；（2）发展力-电耦合数值均质化方法，给出耦合谐振微结构的优化设计方法以及可调各向异性密度实现方案；（3）设计具有反馈控制功能的数字化电路，并实现对超构材料波动性质的宽带闭环调控；（4）对主动式超构材料的宽低频自适应隔振以及智能弹性波控制进行实验验证。通过课题研究将解决力-电耦合弹性波超构材料波控机理与微结构设计中系列关键问题，并为工程结构的宽低频智能波动控制提供新方法。

航天与水下重大装备在功能化设计与结构健康监测方面对结构减隔振和弹性导波控制技术提出了更高的要求。传统减隔振材料与弹性波控制技术普遍存在着低频性能差、弹性波极化控制和自适应调控手段缺乏等限制，需要发展新型结构自适应振动控制和宽频弹性波极化调控技术。针对上述背景，项目开展了基于力电耦合和各向异性力学超材料的波动力学与控制新原理研究。主要研究内容包括：1）力电耦合和各向异性力学超材料的动态均匀化方法与波控机理研究；2）微结构优化设计方法与力电耦合等效材料参数计算方法；3）数字化反馈控制电路设计与超材料主动控制仿真分析；4）自适应隔振实验与宽频弹性波极化控制实验验证。取得了包括：各向异性单一极化超材料微结构快速优化设计方法、基于多频谐振传递函数的力电耦合超材料数字控制电路设计方法、宽频弹性波二维极化分波和自适应隔振原理性实验等系列原创性研究成果。成功制备出宽频弹性波极化控制超表面样件和数字反馈控制电路样件，实现了在50kHz-80KHz内纵波和横波的几乎100%空间分波，以及在500-1500Hz频率范围内成功抑制5阶共振的幅值且平均振幅降低超过30dB。.研究成果在振动力学与声学权威期刊Journal of Sound and Vibration、应用物理TOP期刊Applied Physics Letters、应用力学经典期刊Journal of Applied Mechanics、智能与压电材料专业期刊Smart Materials and Structures等共发表SCI论文10篇，此外在卓越行动中文期刊《科学通报》（EI收录）发表研究论文和关于力电耦合超材料的综述论文（入选当期封面文章）各1篇，1篇论文近期被综合类顶级期刊Nature Communications接收。设计的六自由度振动测试装置已授权1项国家发明专利，另有1项基于力电耦合超材料的减振技术专利已提交审查。研究发展的各向异性的动态等效材料参数计算方法在中国船舶工业系统工程研究院开展的新型水下吸声材料研究中得到了应用。