弹性波超材料动态表征理论及波动控制

Elastic wave control is a fundamental issue for many engineering applications such as vibration and noise alleviation, structure health monitoring, wave stealth, etc. The objective of the project is to realize elastic wave control through microstructure design of material. For this, the dynamic characterization and microstructure design methods of elastic metamaterials will be first established, then based on two possible ways to control elastic waves—Willis media and asymmetric media (generalized elastic media)—transformation elastodynamic method will be developed, and finally an integrated design method from material microstructure design to targeted wave function through an intermediate structure design will be proposed. The project will also examine the origin of nonlocal nature both in space and time for elastic wave propagation in heterogeneous materials, and elaborate a unified theory for the dynamic homogenization of elastic composites and metamaterials. To this end, the main research content includes: (1) microscopic mechanism and dynamic homogenization theory of generalized elastic media; (2) microstructure design and validation of Willis media; (3) characterization and microstructure design of asymmetric elastic media; (4) integrated design and experimental validation of devices for targeted elastic wave control. The outcome of the proposed research will be expected to significantly promote the understanding on the nature of elastic wave propagation in heterogeneous materials, and provide an efficient tool to design material for elastic wave manipulation.

对弹性波传播进行调控是结构减振降噪、健康监测、波隐身等重要工程领域设计的基础。项目以通过材料设计实现对弹性波调控为目标，将系统建立弹性波超材料的动态表征理论和微结构设计方法，结合实现弹性波任意调控的两条可行路径--Willis介质与非对称介质(弹性扩展介质)--发展弹性波控制设计的变换方法，在此基础上形成弹性波调控的功能-材料-结构一体化设计理论，发展相关数值模拟技术与实验手段。项目还力求揭示弹性波环境下非均质材料时空非局部性的微观机理，建立复合材料和弹性波超材料波动行为表征的统一理论和设计体系。为此项目主要研究内容包括：(1)弹性扩展介质的微观机理和动态均匀化理论；(2)Willis介质的微结构设计与验证方法；(3)非对称弹性介质的表征与微结构设计；(4)弹性波控制一体化设计与实验验证。通过项目研究，将提升对弹性波在非均质材料传播规律的认识水平，为弹性波调控的工程应用奠定理论基础。

超材料因超常性质和重要应用前景近年来成为固体和波动力学的研究热点。但弹性波特有的复杂性使其全面调控及宽低频功能设计面临基础理论障碍。在波动条件下拓展非均匀介质的连续表征框架，符合主/被动广义微结构、动态均匀化理论和弹性波变换理论的自洽要求，并相应地在超材料微观机理与逆向设计取得突破进展，是弹性波超材料研究的核心基础问题。通过本项目的实施，围绕弹性波超材料动态表征与波动控制，在弹性扩展介质机理与波传播特性、宽低频超材料设计与功能应用等方面取得了若干原创性成果。1.针对声学、弹性介质与薄板结构给出了Willis本构关系的若干被动与主动微观机制，发展了相应的均匀化理论与材料设计方法，探索了非互易波传播、趋肤效应等新现象；提出了两种非对称弹性介质的实现机理，建立了相应的一体化设计方法并首次实现了被动机制弹性波隐身斗篷，为弹性波完全控制奠定了基础；此外还深入研究了弹性拓扑力学和模式材料设计相关问题。2.提出了可编程超表面、可编程谷霍尔效应以及实空间拓扑声场等途径以实现波动路径调控；针对减隔振与吸声工程应用提出了若干宽低频有效的超材料设计；系统建立了五模超结构一体化设计制备方法，为低频水声隐身、管道消声等重大装备工程应用提供了新途径。.本项目已经发表学术论文54篇，其中包括Nat.Comm.2篇，JMPS3篇，Phys.Rev.Appl.2篇，2篇ESI高被引，1篇被评为北京地区广受关注学术论文。申请发明专利8项，已获批6项；培养博士研究生10名。举办IUTAM，多次在国内外重要学术会议上报告有关成果。