基于纺织复合材料的五模声学超材料设计研究

Pentamode Metamaterials (PMs) are one kind of important acoustic super structures materials. At present, design methods of PMs are mainly based on microstructure design technologies, whereas the study on base materials of PMs is absent. The elastic module and density of conventional base materials are all constant parameters so as to the anisotropy of PMs is limited, and the capacity for underwater acoustic wave manipulation of PMs is restricted. In this project, the design methods about base materials as well as microstructure were studied through theoretical analysis, numerical simulation and experimental investigation. The advanced theories and methodologies of textile composites including the micromechanics finite element method and optimization topology are utilized to design novel base materials. Based on this research work, the universal microstructure design methods for PMs with specific effective modulus and density distribution are studied. Finally, the effect of base materials and microstructure parameters on the mechanical properties and acoustic properties of PMs are studied. The study results will promote the development of acoustic metamaterials technologies, and provide a new way for the PMs design. According, the research of the project is significant for the realization of ultra-conventional acoustic devices.

五模材料是一类重要的声超构材料，目前五模材料的设计主要从胞元微结构设计这一单一层面入手，而缺乏基材的设计。常规基材物性参数不具备可设计性，这导致五模材料的各向异性受到限制，直接影响了五模材料的声波调控能力。本项目针对五模材料设计，同时从基材设计和微结构设计两方面展开深入的理论分析、数值模拟及实验研究。借助纺织复合材料领域的先进技术，采用细观有限元法和优化方法设计具有特定宏观性能的新型基材，在此基础上，采用均匀化理论、优化方法和声学仿真技术等，开展基于机织复合材料的五模材料微结构设计方法研究，并探析五模材料力学性质与动态声学性质的影响因素及机理。项目研究为五模材料的设计开辟了新途径，研究成果不仅有助于丰富和发展声学超材料技术，还将加速五模材料从基础研究向应用研究的转化，实现五模材料的设计与制备一体化，拓展纺织复合材料的应用领域。

五模材料的可设计性和内禀的宽频属性使其在波控器件的设计中受到关注，在水下装备的声学隐身、定向声波发射、低频减振降噪等特种声学装备领域具有重要的应用前景。目前，五模材料设计主要从微结构几何尺寸或拓扑构型两方面进行，然而已有研究表明仅凭借单一基材的微结构设计难以实现较宽的物性参数范围，一定程度上限制了波控器件的调控性能。.本项目聚焦声学超材料的研究前沿，针对宽频带五模材料及其声学波控器件的设计与制备问题开展了深入的理论分析、数值模拟和实验研究。主要研究内容包和成果括：一、研究了五模声学超材料的动态声学性能，提出了面向特定模量和密度要求的五模声学超材料及其超表面的通用设计方法；二、在此基础上，采用线切割加工了反射式五模超表面，并完成了定向反射实验，该研究促进了超表面料从基础研究向应用研究的转化；三、提出了一种具有三相介质的新型五模微结构，以此设计了一块在低于25kHz频带内具有水的声学特性的五模材料，通过了数值仿真和实验验证。研究结果表明多相介质五模微结构能够实现所需的等效物性参数，并且能够降低加工成本和生产周期；四、提出了采用多种基材分段设计五模超表面，数值仿真表明分段五模超表面可以实现更宽的调控频带；五、将纤维复合材料用于声波调控，设计出了具有宽频带特性的复合材料声学超表面。定向反射仿真展示了复合材料超表面操控声波的有效性和宽频带特性。本研究为声学超表面及其他声学波控器件的设计提供了一种全新的思路和方法。