梁板类弹性波超材料的主动反馈控制问题研究

Different from the previous elastic wave metamaterials in which the piezoelectric circuit control is applied, according to the dynamical response, the systems with the active feedback control action can make the signal calculation and procession and show the merits with the time updating. In this project, based on the elastic wave theory and linear quadratic regulator optimal control, the investigations are performed by the theoretical analysis, finite element numerical calculation and experiments. It will be focused on the elastic wave metamaterials with the active feedback control action and their corresponding wave guiding, the coupling between the local resonant and active feedback control in the beam and plate metamaterials, elastic wave cloaking and the reverse design with active feedback control. We will make clear the tunable mechanisms of some special elastic wave properties through the active feedback control. The designs will be carried out about the guiding elastic wave metamaterials with active feedback control. The coupling mechanism between the active control load and local resonant will be discussed. The active feedback control actions on the cloaking and absorbing of elastic wave materials will be given. This research will be helpful to develop the methods of designing and analyzing elastic wave metamaterials, deepen the understanding of the propagation characteristics of elastic waves in metamaterials, and push forward the application of elastic wave metamaterilas with multiple subjects merging .

采用主动反馈控制的弹性波超材料不同于以往的压电回路控制方式，可以根据系统的动态响应进行计算处理，具有实时控制的优点。本项目依据梁板类超材料中的弹性波理论以及线性二次型最优控制技术，采用理论分析、有限元数值计算、以及实验测试相结合的分析方法，针对梁板类弹性波超材料的主动反馈控制及其波导调控、局域振子与主动反馈控制的耦合作用分析、以及弹性波超材料板中隐身斗篷及其反向设计的主动反馈控制等问题进行研究。揭示主动反馈控制作用下，多种特殊弹性波性能的调控机制；开展可主动反馈控制的波导超材料设计；探究弹性波超材料中主动反馈控制与局域振子的耦合作用机理；给出弹性波超材料能量屏蔽与汇集的主动控制方案。本项研究对发展弹性波超材料的设计与分析方法、深化对超材料中弹性波传播特性的认识、推动多学科融合的弹性波超材料的应用具有重要意义。

本项目研究了梁板类弹性波超材料的主动控制问题，研究要点主要包含以下四个方面：1.弹性波超材料梁的主动控制，研究了具有交错周期分布特性的压电周期声子晶体梁，给出了整体压电声子晶体梁结构的局部化因子，通过外接电路实现了对带隙特性的主动调控。2. 弹性波超材料板的主动控制，设计了含有主动控制的超材料波导结构与拓扑免疫系统，通过周期粘贴压电片并连入电路对其进行主动控制来改变波导处结构的等效参数，从而可以主动调节弹性波传播方向以及产生拓扑免疫特性。3. 局域共振弹性波超材料声振耦合行为的主动反馈控制，设计了带有局域振子的四连杆双板弹性波超材料。通过动态有效介质方法推导了有效质量密度表达式以及动态相应关系，通过傅里叶变换方法给出了远场声压级数表达式。4. 弹性波超材料隐身结构及其反向设计的主动控制，提出了具有主动控制系统的对称双亥姆霍兹腔超材料，得到了动态有效体积模量，通过反馈控制实现了该超材料的隐身和黑洞特性。本项目的主要研究内容进展顺利，在弹性波超材料主动控制方面取得了许多研究成果，资助期间共发表标注基金号的SCI论文7篇，授权发明专利1项，已申请发明专利1项。