方向敏感仿生声学超材料理论及噪声源检测研究

Noise pollution is a hazard that endangers human health and equipment performance. Effective noise source detection is of great significance to noise control, human health and equipment security. The traditional sound source detection methods can’t meet the needs of small size and high precision at the same time, which brings great challenges to practical applications. Combining the merits of the bionic acoustic system and the acoustic metamaterial, this project is devoted to investigate a new theory of direction-sensitive bionic acoustic metamaterials and new technology of low-frequency broadband sound source detection. This research will focus on the specific tasks as follows: Construct a direction-sensitive bionic metamaterial unit cell and conduct dynamics modeling and mechanism analysis of the unit cell; Investigate the tunable property of band gaps of direction-sensitive bionic metamaterial and the anisotropy characteristics of the acoustic modals under different sound excitations; Using the modularized and adjustable direction-sensitive bionic metamaterial unit to develop the low-frequency broadband sound source detection model and technical scheme. This project will reveal the effect of the bionic metamaterial on directional encoding for acoustic sources, which can significantly improve the accuracy and anti-interference of the sound source detection. The successful implementation of this project will build an effective principle and technology of bionic metamaterial-based sound source detection, provide new theories and methods for high-precision and miniaturized noise source detection system, and thus has an important theoretical and practical meaning.

噪声污染是危害人类健康和装备性能的公害，有效的噪声源检测对于实现噪声控制、保障人类健康和装备安全服役具有极其重要的意义。传统的声源检测方法不能同时满足尺寸小和精度高的需求，给实际应用带来了很大挑战。本项目结合仿生声学系统和声学超材料的优势，致力于研究一种方向敏感仿生声学超材料的新理论及低频宽带声源检测新技术。研究主要包括三个方面：构建方向敏感仿生声学超材料单元，并进行动力学建模与机理分析；研究方向敏感仿生超材料模型的带隙调控规律，及声场激励下声学模态的各向异性特性；利用模块化、可调控的方向敏感仿生超材料单元，研究低频宽带声源的检测模型和技术方案。该项目将揭示仿生超材料对声源的方向编码作用，能够显著提高声源检测的精度与抗干扰性。本项目的成功实施将构建一种有效的仿生超材料声源检测原理和技术，为发展兼顾高精度和微型化的噪声源检测系统提供新的理论和方法，具有重要的理论和实践意义。

噪声污染是危害人类健康和装备性能的公害，有效的噪声源及振源检测对于实现噪声控制、保障人类健康和装备安全服役具有极其重要的意义。传统振动噪声源检测方法硬件系统复杂、设备尺寸庞大，给实际应用带来了很大挑战。本项目结合仿生系统和声学超材料的优势，致力于研究一种方向敏感仿生声学超材料的新理论及振动噪声源检测新技术。本项目按计划完成了项目内容，取得了一系列有特色的创新性成果：1）研究了仿生方位感知超材料的基本原理，针对声源、振源、散射源等检测问题开展了相应的超材料单元设计及动力学建模研究，揭示了超材料对声波、振动、散射场的方向传输编码机理；2）提出了振动模态定制化设计方法，以及基于磁力耦合调控、形状记忆调控、折纸调控等原理的超材料结构，揭示了超材料对声波和弹性波传输特性动力学调控规律；3）结合工程应用的需求，开展了设备噪声源检测与故障诊断、转子系统振源辨识、宽频微动测量、超材料振动感知系统、无人机叶片损伤监测等方面的应用研究，建立了基于超材料的低频宽带声源与振源的检测模型和技术方案。四年来，在Nature Communications、Matter、Cell Reports Physical Science、Journal of Sound and Vibration、Physical Review Applied、ASME Journal of Vibration and Acoustics等国际权威期刊发表SCI检索期刊论文17篇，成果获得科学网和《中国科学报》报道，并获得安徽省自然科学二等奖。研究成果申请中国发明专利4项，已获授权3项。研究成果在5次国际学术会议上交流，并获得TESConf 2019最佳论文提名奖。四年中，共培养博士和硕士7名，其中1名获得上银优秀机械博士论文奖；项目负责人入选2019年度国家万人计划青年拔尖人才、2022年度上海市优秀学术带头人，作国际国内学术会议特邀报告8次；参与人获得中国力学学会青年人才蓄水池项目1项。项目的成功实施为发展兼顾高精度和微型化的噪声与振源检测系统提供了新的理论和方法，具有重要的理论和实践意义。