新型折叠式、模块化声子晶体静力学和动力学性能的“可编程”机理研究

Phononic crystals control the propagation of elastic wave with certain geometry. Now, the challenge is how to design geometrically variable unit cell to form phononic crystals, which can switch into multiple geometrical patterns in order to “intelligently” yield multiple static and dynamic properties. Based on the inspiration of Origami, we can overcome this difficulty. We plan on designing a new kind of foldable unit cell, which has two stable states (“0” state and “1” state: corresponding to two minima of potential energy), and each state has an individual stiffness and resonant frequency. Thus, the material consisted of such unit cells has 2 power N different mechanical properties (N is the number of unit cells). An ordinary material has only one mechanical property, but our design will expand both property and application in great degree for the same material. Based on such “programmable” mechanism, we plan on designing/fabricating new generation of wave guide and cloak systems: guiding waves and making acoustically invisible structures by skillful arrangement of the distribution of “0” and “1” state for each unit. We plan on understanding the “programmable” mechanism in statics and dynamics both theoretically and experimentally, proposing new direction of application, and overcoming the difficulties of noise reduction. Therefore, this project has great science significance as well as promising future of application.

声子晶体通过一定的几何结构来控制弹性波的传播。目前的挑战在于如何设计几何可变的结构单元，组成声子晶体，使总体结构能方便地切换为多种几何模式，最终“智能地”产生出多种静力、动力学性能。在折纸艺术的启发下，有望攻克此难题。拟设计一种新型折叠式细胞单元，它具有2种稳态（“0”态和“1”态），不同稳态具有不同的刚度和固有频率，由此单元模块化地组成的材料将具有2的N次方种不同的力学性能（N为细胞单元个数）。普通的一块材料仅具有一种力学性能，而本设计将极大地拓展同一材料的性能和应用范围。利用材料的这种“可编程”机理，拟设计、制造新一代波导系统和声学隐身系统：通过设置单元“0”、“1”状态分布来巧妙地引导波的传播，及创造出在声学上“不可见”的结构。拟在理论、实验上理解此声子晶体静力学、动力学的“可编程”机理，提出新的应用方向，解决减振降噪的难题，具有重要的科学意义和光明的应用前景。

超材料是一类工程材料，经常违反适用于普通材料的常规假设。虽然超材料通常是由精心设计的单元组装而成，但预期的大规模功能可能会被非叠加性的单元-单元间相互作用所驱动的外在效应所掩盖。这些交互作用通常对单位数量及其总体安排很敏感，使它们成为单位规模设计的外在因素。因此，外在效应的出现为通用超材料技术的发展增加了一个重要的障碍。在这里，我们将实体尺度的外在性质重新定义为一个设计机会，并开发了一种方法，将它们重新用于一类新的指数可重构折纸力学超材料。本项目研究主要内容：新型“模块化”声子晶体几何结构设计；该声学超材料机械性能的“可编程”机理研究；声子晶体结构的优化再设计，根据机械性能研究反过来优化声学超材料的结构，使得该结构准确地产生预期的力学行为。我们阐述了如何利用外在特性来设计一个通用结构，它可以被转换成各种各样的被动型机械装置，包括波导、波透镜和波斗篷。实验验证了本项目的核心思想，并展示了结构的外部效应对可重构材料的应用是如何起作用的。