水下压电声子晶体结构振动与声辐射特性研究

Focusing on the major strategic needs of the state in safeguarding maritime rights and interests, the issue of underwater vibration and noise reduction is addressed. Based on the applicant's research foundation in the field of structural damping and fluid-structure interaction, the piezoelectric local resonance phononic crystal structure is introduced into this subject. Firstly, considering the boundary conditions, piezoelectric effect and the influence of fluid-structure interaction, the theoretical calculation method of phononic crystal structure of underwater beams, slabs and cylindrical shells is established. The results are verified with the results of the structure-acoustic coupling finite element method. Secondly, the mechanism of vibration reduction and noise reduction of underwater piezoelectric phononic crystal structure is studied. The coupling mechanism of Bragg band gap and local resonance band gap to vibration and noise reduction is revealed. The influence of topology, matrix and lattice parameters, boundary conditions, piezoelectric materials and structural parameters on structural vibration and sound radiation is studied. Thirdly, optimization design method for underwater piezoelectric phononic crystal structure and active control method are explored. In order to reduce the vibration transfer coefficient and the acoustic transmission coefficient, we optimized the topological structure, geometry and material parameters of the local resonant phononic crystals, and the feedback shunt circuit is used to actively control the elastic wave and acoustic wave propagation. Finally, the theoretical analysis and numerical calculation results are verified by the vibration test, acoustic tube test and anechoic tank test. The research results will give a theoretical foundation for the design and application of new piezoelectric local resonance phononic crystal structure.

围绕国家对海上权益维护的战略需求，聚焦水下减振降噪问题，基于申请人在减振降噪和流固耦合领域的研究基础，引入压电局域共振声子晶体结构。首先，建立水下梁、板、圆柱壳声子晶体结构振动和声辐射理论计算方法，综合考虑边界条件、压电效应和流固耦合影响，与声固耦合有限元方法计算结果对比验证；其次，开展水下压电声子晶体结构减振降噪机理研究，揭示布拉格带隙和局域共振带隙共同作用机理，探明拓扑结构、基体和晶格参数、边界条件、压电效应等对于结构振动和声辐射的影响；再次，探索水下压电声子晶体结构优化设计及主动控制方法，以减小振动传递系数和声透射系数为目标，优化局域共振声子晶体拓扑结构，几何和材料参数，同时采用反馈分流电路来主动控制弹性波和声波传播；最后，通过开展振动试验、声管试验和消声水池试验，验证理论分析和数值计算成果，进一步研究振动及声辐射特性。研究成果将为新型压电局域共振声子晶体结构设计和应用奠定理论基础。

水下减振降噪是水声工程、船舶工程和海洋工程等学科的重要课题，但传统材料和结构目前在低频段、宽频率的减振降噪效果还不甚理想。目前尚未有压电局域共振声子晶体结构在水下减振降噪领域应用研究。因此，研究以舰艇壳体、设备基座及浮筏减振降噪设计为切入点，对水下新型压电声子晶体结构振动和声辐射预报、减振降噪机理、优化设计理论、主动控制方法、及其实验验证技术开展全面研究。研究提出了利用有效密度分布设计渐变折射式聚焦透镜的方法，使二维形式的周期性结构也可以实现三维声波聚焦，声波的强度被明显放大，并且其焦距可以通过声波的频率来调节，为超透镜、超透镜和龙勃透镜用于三维水声聚焦奠定了基础，可为提高水声通讯质量、水中微粒精确操控等领域发挥作用。同时研究了一种局域共振声子晶体梁弯曲带隙求解的数值方法，将局域共振梁频散关系求解问题巧妙转化为一个标准的二次特征值问题，为研究二维或三维局域共振结构的带隙特性提供了新方法。研究还利用Lame波波长与薄板厚度的关系提出了周期结构在一个波长范围内任意调控弹性波相位的方法，实现了30°~60°斜入射角度范围内弹性波亚波长逆反射，发现自由边界会对逆反射的相位变化产生较大影响，利用此影响能够更有效的进行相位调节并可以大幅度减小结构的尺寸，可用于水下结构声隐身、振动控制。基于局域共振原理和船舶的机械振动频率设计了一种螺旋型单相声子晶体，通过调节局域共振声子晶体的振子质量，隔振频率可覆盖15Hz~45Hz，最高隔振率大于-60dB，可为船上精密仪器的隔振防护提供了一种解决方案。研究提出了一种基于界面阻抗匹配法的反射型弹性波超构表面，该结构具有较高的调控效率（大于0.8）和较宽的工作频率范围（超过800Hz），反射波定向精度高，误差可小于1.5°，可应用于设计小型振动控制结构。项目总体研究将新型压电局域共振声子晶体结构引入到水下减振降噪领域，为新型压电局域共振声子晶体结构设计和应用奠定基础，具有重要的科学意义和研究价值。