水下全方位低频宽带声隐身机理及超材料结构设计与制备

In this project, the applications of the invisibility technology based on the transformation acoustic and effective medium theory under water environment are focused on. The large omnidirectional transformation theories and methods for water background are investigated. Homogenization, structural design, optimizing and fabrication of anisotropic negative underwater metamaterials in a low frequency and broadband without any local resonance are studied in details. This study starts from the behavior, rules and characteristics of wave propagation in complex background and media. And then attempts to combine the idea of conformal, quasi-conformal and coordinate transformation together, to propose the transformation method for the invisibility structure and build its theoretical model which can be realized with natural materials in half and total free space, to explore the method for breaking through the long wave limit of non-local resonance metamaterials, to propose the homogenization mechanism of low broadband anisotropic negative acoustic metamaterials without any local resonance which can be applied to the underwater environment. The design of the anisotropic and anisotropic negative non-local resonance metamaterials, optimization and parameter adjusting methods are also explored. Finally, the structures will be fabricated by using 3D printing and the performance with large invisibility area and unidirectional shield will be verified by experimental measurements. This project will have great potentials in promotion of the practical realization and application of the invisibility technology, important scientific significance as well as broad application aspects.

本项目基于变换声学和等效介质理论，以水下复杂环境中新型声隐身技术的工程应用为背景，拟对水介质中实现全方位大区域声隐身的变换理论和方法、水下低频宽带各向异性非局域共振负参数声超材料的等效机制、声学超材料和声隐身结构的微观结构设计、优化与制造技术展开研究。首先研究声波在复杂环境及复杂介质中传播规律及特性；然后按照将保角、类保角及坐标变换等方法有机结合的思路，研究提出半空间及全空间下隐身结构可实现的变换方法、建立起理论模型；同时探索非共振超材料突破长波近似的方法，提出基于非共振原理的各向异性负参数水下声学超材料均匀化方法，设计出若干各向异性非共振负参数声超材料，进行性能优化并研究其参数可调方法，最后研究设计并采用3D打印技术制备水下声隐身结构，搭建实验平台进行实验验证，以期实现大区域全方位的隐身效果，并实现单向屏蔽功能。本项目有助于推进声隐身技术的应用研究，具有重大的科学意义和广泛的应用前景。

传统的消声瓦、吸波体等材料已无法满足目标对低频声的遮蔽要求，急需寻找新的手段来实现目标的低频隐身。基于变换理论和超材料的新型隐身技术在原理上能够实现对声波任意调控，可根据实际需要设计出具有完美性能的隐身结构，一定程度上，能够有效的弥补和克服传统隐身技术的不足。本项目基于变换声学和等效介质理论，以水下复杂环境中新型声隐身技术的工程应用为背景，首先针对当前声隐身斗篷结构复杂、隐身区域小、方向性单一等问题，构建了一种二维可调式流体声隐身斗篷，理论上可以通过调节微结构中流体的参数来适应隐身斗篷形状的变化，研究了隐身斗篷缩放因子对其性能及隐身斗篷层厚度的影响；在此基础之上，提出了三维全方位多边形的声隐身结构理论模型，分别在空气介质和水下介质，设计出了相应的隐身层微结构单元，这种非共振结构具有良好的低频和宽频特性。其次，鉴于声隐身技术应用于水下时介质参数非均匀变化的特点，提出了非均匀介质中任意截面形状的声隐身斗篷模型；采用钢板和多孔材料构成的复合人工结构，设计了一种水下分层介质中的二维单向声隐身斗篷，具有隐身效果好（评价指标CSI大于98%）和低频宽带等特性（600 Hz-3000 Hz）。借助变换的概念，提出基于投影变换、积分成像和3D打印相结合的新型三维超薄光学隐身技术，通过变换一个虚像来实现对三维物体的隐身，可有效降低隐身层厚度和拓宽有效隐身频率宽度。本项目，不仅深化了变换理论和声超常材料的理论研究，而且所提出的复杂环境下的声隐身结构设计思路可为潜艇声隐身提供理论指导。在顺利完成原计划研究内容的基础上，开展了进一步的拓展研究，主要包括弯曲空间/结构中的变换理论及波传播特性研究、非对称声传输机理研究、可编码声学超表面声传输机理研究、人工结构中拓扑声传输机理研究等。本项目执行期间共发表SCI论文26篇，申请发明专利2项，参与国内外学术会议13次，培养博士研究生3名，硕士研究生4名。