局域共振能量耗散机理及其在水声吸声材料中的应用研究

局域共振型声子晶体是近年来提出的一种新型人工结构复合材料，其显著特征是实现了小尺寸控制大波长的构想。水声吸声材料是水下目标声隐身技术中广泛应用的一种高分子黏弹性复合材料。项目针对"传统水声吸声材料的低频吸声性能较差，已不能够适应水下目标声隐身技术发展的现实需求"这一问题，以局域共振型声子晶体的研究成果为基础，提出将局域共振思想引入到水声吸声材料的设计中，采用层多重散射法和有限元法相结合的理论分析方法，深入分析局域共振内在的能量耗散机理，系统讨论各因素对局域共振吸声的影响，总结得出各参数对局域共振吸声的影响规律，提炼关键影响因素，进而在不同背衬及约束条件下优化局域共振吸声性能；在理论分析的不同阶段，设计、制备不同局域共振型吸声材料样品，实验验证理论分析结果的正确性。项目研究内容体现多学科交叉，研究成果有望为高分子复合材料的低频吸声设计提供新的技术途径，具有重要的理论和工程应用价值。

项目将声子晶体理论引入到水声吸声材料吸声机理和吸声性能的分析中，采用声子晶体局域共振思想实现具有低频吸声性能的水声吸声材料设计，并采用遗传算法对其吸声性能进行了优化。项目主要完成情况及取得的成果如下：.1）建立了局域共振水声吸声材料声学性能理论分析方法. 完善了声子晶体能带计算中的层多重散射方法，并将其引入到水声吸声材料吸声机理和吸声性能的分析中。为了分析非规则声学结构的吸声性能，开发了有限元声学性能分析和位移场图计算程序。提出了各阶谐波Mie散射、多重散射以及位移场图分析相结合的吸声机理分析方法。.2）系统揭示了局域共振能量耗散机理. 分析发现低频局域共振引起纵波向横波转化，且主要由一阶谐波共振散射完成。局域共振单元间产生的多重散射显著增加了声波的传播路径，并增强了纵波向横波的转化，横波在阻尼材料中耗散效率高，这有效增强了材料低频吸声性能。深入分析了局域共振单元共振模式与橡胶吸声峰间的关系，位移场图分析表明，复合局域共振结构橡胶出现的两吸声峰分别由芯体共振和包覆层共振模式引起。采用输入阻抗法并结合位移场图，揭示了钢背衬条件下复合橡胶与钢背衬间的整体共振（驻波）吸声机理，钢背衬质量增加，橡胶吸声峰频率降低。不同形状局域共振结构的吸声机理基本相似。.3）综合分析了局域共振复合水声吸声材料的吸声规律，开展了样品吸声性能优化. 系统讨论了各参数对复合橡胶吸声性能的影响，发现包覆层、基体声波速度、局域共振结构形式以及填充率等对局域共振吸声均有重要影响。在分析吸声规律的基础上，以含双层不同局域共振结构的复合橡胶层为对象，通过调节各层局域共振频率，可有效拓宽吸声带宽。将遗传算法引入到该复合橡胶的吸声优化中，获得了较好的低频、宽带吸声性能。.4）制备了不同局域共振样品，测试结果验证了理论分析设计的有效性. 根据理论分析结果，设计制备了局域共振复合橡胶（分别为聚氨酯和丁苯橡胶）测试样品。测试结果和理论分析结果基本吻合，证实了局域共振低频吸声机理和吸声规律。验证了钢背衬对样品吸声性能的影响，并验证了样品吸声优化设计结果的有效性。. 总之，项目全面完成了申请书规定的各项研究内容。在该项目资助下，共发表论文21篇，其中SCI收录11篇，出版专著1部。项目研究成果可为低频宽带水声吸声材料的设计奠定重要的理论基础。