声学超材料的低频宽带隙机理及仿生应用研究

Acoustic metamaterials refer to a kind of artificial subwavelength microstructures with negative dynamic equivalent parameters, which provide a new way of thinking for controlling the low-frequency noise & vibration and designing novel acoustic devices. The project is planned in the lightweight structural design background, focusing on low-frequency and wide band-gap mechanism of acoustic metamaterials and surface metamaterials with biomimetic design theory to promote their widely applications in engineering. First, the dynamic equivalent medium theory of non-periodic acoustic metamaterials is established based on the energy method to reveal the dependent relationship between the macroscopic properties and microscopic structures of acoustic metamaterials; on this basis, the low-frequency and wide band-gap mechanism of acoustic metamaterials and surface metamaterials is investigated deeply, to realize the purpose by using small-scale structure to control low frequency and large wavelength incidence; secondly, the resonant mode group theory of thin-film acoustic metamaterials is quantitatively developed, and the surface acoustics theory of thin-film and thin-sheet structures is established; and finally, the cochlea working mechanism is systematic studied, and the mechanical wave regulation mechanism of cochlea and hair cells is simulated to investigate biomimetic metamaterials with complete acoustic absorption and binary bionic intelligent devices. The project is expected to open up a novel acoustics research, with a wide range of potential applications in the design of acoustic function devices and the low-frequency vibration and noise reduction and other aspects.

声学超材料是指具有负动态等效参数特性的人工亚波长微结构，为低频振动噪声控制和新型声学器件设计等提供了全新的思路。本项目拟在轻量化结构设计的背景下，重点研究声学超材料和表面超材料的低频宽带隙机理及仿生设计原理，以推动声学超材料在工程中的广泛应用。首先，建立基于能量方法的非周期声学超材料的动态等效介质理论，揭示声学超材料的宏观性能与微观结构之间的依赖关系；在此基础上，深入研究声学超材料和声学超表面的低频宽带隙机理，实现小尺度结构控制低频大波长的目的；其次，发展薄膜声学超材料中的共振模态群定量描述理论，系统建立基于薄膜和薄板结构的表面声学理论，并将声学超表面发展至薄板类结构；最后，系统研究耳蜗的工作原理，模拟耳蜗基底膜和毛细胞的机械波调控机理，研究宽带完美吸声仿生声学超材料和二态仿生智能声学器件。项目有望在声学领域开辟全新的局面，在低频减振降噪和声学功能器件的设计等方面具有广泛的潜在应用价值。

声学超结构通过在介观层面设计尺寸远小于入射波长的人工微结构周期单元，利用其新颖的动态负质量和负模量特性实现对声波的任意调控。相较于传统吸声材料只有在其厚度大于1/4入射声波波长时才具有一定吸声系数，我们提出的小尺寸大宽带吸声超结构首次提出超结构虹吸效应及其多阶共振机理，突破了共振吸声系数与吸声面积间的矛盾限制，可通过有效组合各个不同单元来实现大宽带高效声吸收，解决了小尺寸低频大宽带吸声难题。该超结构吸声技术获得了100-3600Hz频段吸声系数高达95％的吸声效果。其吸声性能对不同基底材料的变化不敏感，完全可以根据不同频段、不同环境、不同需要、不同承载选择基底材料满足各种特殊需要。该技术具有尺寸小、密度低、频带宽、效能高、加工易、承载高、适应广的特性。通过优化结构与工艺，解决了复杂内部结构的加工难题，实现了模块化、亚结构、低面密度、大宽带、低中频吸声技术的产品化。. 从理论基础、技术研发、结构设计、工程应用均为自主正向研发，具有自主知识产权，没有对标的进口替代技术。以此技术为基础的产学研结合模式，克服了理论研究到实践制造的转化难题，在中国西部创新港设计建成了世界上第一个超结构全消声室，50Hz-20000Hz频段内吸声系数大于95%，有效使用容积较现有技术增加85%以上，地面承载能力较现有技术提高10倍以上，各项技术指标跨代领先国内外现有技术。标志着我国噪声处理水平位居世界领先地位。. 我们的“小尺寸大宽带吸声超结构技术”作为2019年“HY行动”的优秀创新成果，于2020年12月12日在兵装院给军委装发部李尚福上将和一众少将进行了汇报，受到极大好评和鼓舞。“声学超结构吸声材料”于2020年11月荣获第二十二届中国国际高新技术成果交易会优秀产品奖。. 该技术将对开展海军潜艇的声隐身研究、空天领域的隐身及降噪应用、声伪装技术应用，及高铁、飞机等民用支柱产业的技术换代等提供广泛的技术支撑。