超材料对地震波传播的控制理论研究及地震波隐身衣模型设计

Seismic resistance has been an important topic. People expect to avoid collapse of buildings and descrease personnnel and property losses. Seismic metamaterial is a very good method to reduce earthquake damage, and it is well based on earthquake dynamics theory. Invisibility cloaks can control the seismic waves around an object and make it invisible. This proposal is to investigate the governing physical mechanism with metamaterial, and apply it to study of seismic invisibility. ①Based on our previous work and recent developments on study of seismic invisibility, we plan to improve the model of elastic invisibilityby reducing the strict requirements on material, and design a 2D plate model which is reasonable and practical. ②By analogy with electrical resonance structure, we would design a Helmholtz resonance to realize negative shear modulus. The model reduces the amplitude of the waves exponentially to make object invisibility. ③Then, we perform numerical simulations to optimize model. The cloaks can not only protect object, but also make its surrounding buildings experience a weakened earthquake. This study is helpful for understanding the control theory of seismic wave, and provides new concepts and applications for anomalous Doppler effect, negative refraction, slab lens and invisibility of elastic metamaterials.

抗震一直是人们研究的重要课题，人们期望避免建筑物倒塌，减少人员财产损失。地震波隐身超材料是解决震灾问题非常好的方法，也具有很好的地震动力学理论基础。隐身超材料控制地震波绕过目标，使目标几乎不会震动，实现目标的隐身。项目拟研究超材料控制地震波的物理机制并应用于实现地震波绕射隐身和吸波隐身。基于我们已有的工作并结合地震波超材料在隐身应用方面的最新进展，①我们拟改进材料要求十分苛刻的弹性波隐身模型，得到更为合理易实现的二维薄板地震波隐身模型；②类比电谐振结构，拟设计Helmholtz共振结构实现负剪切模量，使地震波振幅指数衰减实现吸波隐身；③最后用软件进行数值模拟，优化模型，不仅保护目标建筑物，而且使它周围的建筑物也经历一场减弱之后的地震。本项目研究有助于加深对地震波控制理论的认识，并为弹性波超材料的反常多普勒效应、负折射、平板透镜、隐身等提供新的概念和应用。

声子晶体和声学/弹性波超材料已成为声子学领域一个极具研究价值的方向，相关研究工作正在持续增长，而且许多概念和基础研究正在向工程应用转化。如声学“斗篷”、声学“二极管”、声学超表面、新型声学功能材料等方向的研究成果受到了声学隐身、减振降噪、地震保护、超声成像、结构健康监测等工程领域的广泛关注。超材料在建筑物防震方面的应用是解决建筑物加固防震困难的一种新思路。项目设计的超材料能够控制并减弱地震波，低成本实现建筑物的防震减灾。此研究方向处于初期阶段，所以项目主要是进行理论论证和数值模拟工作。.项目首先研究弹性波超材料控制地震波的物理机制，在此基础上结合实际,采用常见的建筑材料，建造简单易实现的建筑物防震超材料，埋在被保护建筑物的四周，通过控制地震波的传播来实现建筑物的防震。具体工作如下：.①利用固体物理学中的平面波展开法，研究地震面波和体波在周期排布共振结构中传播的带隙特性。当地震波的频率处于禁带范围，实现地震波能量的衰减。②基于质量-弹簧模型，设计空心圆柱、空心方形棱柱和有填充物的方形棱柱共振结构模型，同时实现地震兰姆波和表面波衰减。③引入分形结构，设计了一种宽带地震波超材料，该超材料利用分形结构自身的自相似特性，拓宽地震表面波衰减域。④用有限元法进行数值计算，优化模型参数。我们设计的新型减振体系, 即可用作单独的隔振设施,又可以作为建筑物下面的承重部分,不会影响建筑物的整体性和承载能力，能实现被保护建筑物的整体振动极大衰减。.在项目经费资助下，我们除了从工程领域研究防震，还从地震预测方面为抗震减灾做贡献，进行了一些地震前兆信号的监测和数据分析。研制了具有自主知识产权的地电监测仪DD108，已建设四个地电监测台站，初步总结了该仪器的震前电信号异常幅度与震级、震中距之间可能存在的经验关系。分析了震前重力异常和地应力异常现象。