高效消声声学超界面的设计、制备与表征

It has become a research hot spot in current functional material field to design and manufacture acoustic metasurfaces with simple structure for the purpose of superior controlling of sound waves. On the basis of our previous studies of acoustic metamaterials with negative effective parameters, this project aims to design and fabricate an acoustic metasurface which can realize the efficient manipulation of acoustic waves, and investigates the propagation laws of sound waves in the metasurface. We will systematically study the influences of the geometrical configurations, structural parameters and arrangements of unit cells (hollow tubes) on the reflection amplitudes and phases of the acoustic metasurface. Then，we will chose a group of unit cells of which the phases change from 0 to 2π and arrange them in different layouts to construct the acoustic metasurface, and further comprehensively analysis the control ability of the metasurface on the sound waves (including the relationships between reflected angles and incident angles, the critical angles of propagation waves transforming to surface waves, the energy conversion efficiency of the metasurface, and so on). Finally, an acoustic matesurface that can efficiently transform propagation waves to surface waves will be fabricated by introducing an appropriate phase gradient configuration. The research of this project will be of great importance in promoting the practical applications of acoustic metamaterials and holds great promises for manufacturing the acoustic anechoic materials.

如何设计并制备结构简单的声学超界面并实现其优异的声波调控性能，日益成为当前功能材料领域的研究热点。本项目拟在前期对负等效参数声学超材料的研究基础上，设计并制备具有高效声波调控能力的声学超界面，研究声波在超界面的传播规律；系统地研究结构单元（空心管）的几何构型、结构参数对声学超界面的反射幅值、相位等性能的影响，并挑选出一组相位在0-2π分布变化的结构单元，将这些选定的结构单元按不同排列方式构建声学超界面，全面分析超界面对声波的调控能力（包括反射角与入射角之间的关系、传播波向表面波转化临界角、超界面能量转化率等）；进而通过引入合适的超界面相位梯度配置，最终制备出能够实现传播声波向声表面波高效转变的声学超界面。本项目的研究对推动声学超材料向实际应用方面的发展具有重要意义，在消声材料的制造方面具有广阔的应用前景。

本项目探索新型噪声消除途径，利用空心管、薄膜为亚结构单元构建具有反常声波调控性能的声学超界面，探索入射声波沿声学超界面表面传播的实现方法，设计结构简单的新型声学超界面消声材料。探索了多层嵌套空心球的谐振特性，构建了一种设计宽频声学超界面的结构单元。. 理论计算和实验结果均表明，空心管的谐振频率随管长度和内径的增大而降低。内径为5 mm，长度分别为29 mm、48 mm、67 mm和98 mm的聚乙烯空心管，四种空心管的谐振频率分别为5350 Hz，3100 Hz，1920 Hz和1700 Hz；长度为98 mm，内径分别为9.2 mm和15.6 mm的空心钢管的谐振频率分别为1400 Hz和1300 Hz。在上述实验基础上，选取内径为6 mm，壁厚为0.5 mm，长度分别为35 mm，49.16 mm，50.96 mm，51.657 mm，52.18 mm，52.64 mm，53.26 mm和54.596 mm的8种长度空心管（每种长度选取2根），构建声学超界面。在0°入射情况下，声学超界面实现了90°反射，实现了入射声波沿声学超界面表面传播。利用薄膜结构设计了厚度为1/5波长的声学超界面，对中心频率为570Hz的入射声波实现了沿声学超界面的表面传播，构建了基于薄膜结构的声学超界面。探索了多重嵌套空心球结构的谐振特性，利用单个结构实现了多重谐振，为设计宽频响应声学超界面奠定了基础。本项目的开展对推动声学超材料向实用化方面发展具有积极意义。构建的声学超界面具有结构简单、制作容易、造价低廉的优点，除可用于传统场所的噪音消除以外，在飞机机舱、潜艇内部和实验室等对消声材料的轻薄等方面有特殊要求的噪音消除场所具有广阔的应用前景。通过本项目的实施，发表相关研究内容SCI论文3篇，核心论文2篇，申请国家实用新型专利1项，培养在读硕士研究生3名。