基于五模材料的变换声学理论与实验研究

ransformation acoustics based on pentamode material (PMTA) is a promising theory in designning novel acoustic devices with broadband frequency range,solid configuration and finite mass. In this project, we will examine some fundamental problems critical to its application from different aspects: theory, numeric and experiment. It includes: (1) The uniqueness of the current form of transformation and the constraints on the properties of pentamode material derived from spatial transformation.(2) Strategy to construct mapping producing isotropic density for arbitrary geometry. Simplification and optimization from the perfect acoustic cloak with purpose to remove material sigularity and to be more easily realizable.(3)The influence of shear stiffness and hydrostatic pressure on the acoustic cloaking functionality. Dynamic homogenization and design method of pentamode material, as well as the synthesized design of microstructured acoustic cloaks. (4)Testing system set-up and experimental validation of some typical wave control devices(especially acoustic cloak in water) The project aims at solving some key issues related to transformation acoustic with pendamode materials, and it will provide insightful idea and new method in stealth technology for submarine structures as well.

基于五模材料变换声学理论设计的功能结构具有宽频、无质量奇异以及固体形态等优势，是用于声波控制设计的一种较新且具有前景的理论。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）研究变换理论的基础问题，澄清变换的唯一性以及对五模材料性质分布的内在约束，发展针对复杂构形构造各向同性密度变换关系的方法；（2）基于理想五模材料功能结构发展相应近似和优化方法，消除奇异性并获得易于实验实现的材料性质分布；（3）分析环境压力和五模材料中微小剪切模量对声波控制的定量影响；建立五模材料的动态均质化理论、微结构设计方法，以及声波控制功能结构的整体微结构设计;（4）设计搭建相应的实验平台，对水声隐身斗篷等典型结构进行实验验证。通过课题研究将解决五模材料变换声学中系列关键问题，并为水声隐身结构的设计提供新方法和概念。

传统水声隐身技术主要通过橡胶覆盖层吸收声呐信号达到隐身，然而，橡胶吸声材料存在对低频（< 1kHz）声波吸收不足的缺陷。即使实现了完美吸收，也在会目标后向形成声阴影区，无法有效对抗多基声呐协同探测。因此针对低频和多基声纳的探测威胁，需要发展新型的水声隐身技术。五模材料是近年提出的一种声学性质与水类似的固体材料，具有宽低频有效、声学各向异性、性能可设计等优点。五模材料与变换声学理论相结合，有望实现水声传播轨迹的精确操控达到完美隐身，解决吸收隐身技术无法对抗多基声呐探测的难题。.针对上述背景，项目开展了基于五模材料的宽低频水声绕射隐身新原理研究。主要研究内容包括：1）五模材料变换声学基础理论；2）五模材料动态均匀化方法与创新性型微结构设计；3）五模材料绕射隐身斗篷功能-材料-结构一体化设计与隐身性能分析；4）水声测试平台研制与绕射隐身原理性实验。取得了包括五模材料创新微结构及微结构反演优化算法、五模材料隐身斗篷一体化设计方法、绕射隐身原理性实验等系列原创性研究成果。成功制备出分米尺度隐身斗篷原理样件，9-15kHz范围实验获得目标强度降低6.3dB的优良隐身效果。该研究首次从原理上证明了五模材料应用于低频水声绕射隐身的可行性，并进一步为五模材料在水声隐身和调控方面的应用提供了必要的分析、设计和实验方法。.研究成果在凝聚态物理TOP期刊PRB、固体力学顶级期刊JMPS、经典声学期刊JASA等SCI期刊发表论文11篇，在力学综述期刊《力学进展》发表关于五模材料的EI综述论文1篇。所提出的五模材料创新构型已授权1项国家发明专利，另有2项国家发明专利已提交审查。研究发展的优化设计算法及实验方法在中船重工集团719研究所、中国船舶工业系统工程研究院开展的水声隐身研究中得到了应用。期间共举办两次超材料相关研讨会，包括国际理论与力学联盟（IUTAM）授权的“声/弹性波超材料设计与应用”高端研讨会。