基于超材料的交通环境隔振减振波屏障研究

The traditional isolation technology has been unable to meet people’s needs for the living environment in the rapid development of transportation, and some highly regarded technology has even lost its effectiveness. However, with deepening the understanding of nature laws, especially with the development of new disciplines, it is possible to develop some new vibration reduction techniques. Metamaterials, first proposed as a special artificial composite material or structure in physics, can produce unconventional effective medium parameters not found in natural materials and thus exhibit many novel phenomena through structurally and orderly design of the key dimensions of each component material. In this project, we intend to introduce the new ideas of electromagnetic and acoustic metamaterials into the field of civil and traffic engineering, and to develop metamaterials-based wave barriers for elastic waves. Firstly, the design criterion of metamaterials for elastic waves will be established. On this basis, the wave guided metabarrier and wave absorption metabarrier will be developed for the traffic environment vibration at middle or low frequencies. Then, the mechanism of vibration isolation and attenuation will be revealed and the practical design method of metabarriers will be given. Undoubtedly, results obtained from this projects will open a new window for the vibration isolation in the field of civil and traffic engineering.

随着交通的快速发展，传统的隔振减振技术已不能满足人们对美好生活环境的需求，一些曾经倍受信赖的技术甚至已失去效力。而随着人们对自然规律认知的不断深入，特别是随着一些新型学科的发展，又使得开发一些全新的隔振减振技术成为可能。超材料，最初是物理学中提出的一种特殊的人工复合材料或结构，通过对各组分材料的关键几何尺寸进行结构上的有序设计，该复合材料可望获得自然界材料所不具备的超常规等效宏观物理性能，并展现出许多新奇现象。本项目拟将物理学中关于电磁超材料和声学超材料的设计思想引入土木与交通工程领域，针对土体中传播的弹性波，研发基于超材料的交通环境隔振减振波屏障。首先建立针对弹性波的超材料设计准则；在此基础上，进一步针对中低频段交通环境振动，研发导波型超屏障和吸波型超屏障，并揭示其隔振减振机理；最后给出相关超屏障的实用设计方法。本项目的实施，必将为土木与交通工程的隔振减振研究开辟一条新途径。

随着交通的快速发展，交通引起的环境振动及其带来的危害已成为世界七大环境公害之一，传统的隔振减振技术已不能满足人们对美好生活环境的需求，一些曾经倍受信赖的技术甚至失去效力，为此，有必要开发新的隔振减振措施。超材料最初是物理学中提出的一种人工复合材料，通过适当设计该材料可获得超常规等效宏观物理性能，并展现出许多新奇现象。本项目将电磁超材料和声学超材料的设计思想引入土木与交通工程领域，针对交通运营引起的环境振动控制问题，特别是中低频段的振动控制问题，研发了多种隔振减振波屏障，并对这些屏障的减振性能开展了大量理论分析、数值模拟和试验研究，揭示了其隔振减振机理，最终建立了波屏障设计准则，数值模拟和试验研究证实了本研究成果的合理性。本项目研究发现：（1）在饱和土中可通过构造超表面形成表面波衰减域，这与人们对波干涉现象及其衰减域形成机理的已有认知有所不同；（2）在频率远离超表面的共振频率时，可使表面波吸收最大化的材料粘性值是有界的；（3）当慢纵波速低于剪切波速时，在某些孔隙率情况下超屏障中的能量会发生耗散；（4）采用两种常用土木工程材料，可构建宏观各向异性超材料，该超材料对反平面波具有导波特性；（5）将拓扑绝缘体概念与周期排桩屏障相结合，可设计出一种兼具导波与隔振功能的超屏障；（6）采用复频散分析可为中低频段超屏障设计提供更多途径；（7）在超屏障的衰减域范围外，粘性对波动吸收起主要作用。.以本项目为依托，共培养毕业硕士研究生12名，博士研究生2名；发表学术论文22篇，其中SCI收录期刊论文18篇；取得国家发明和实用新型专利各1项。本项目所取得的研究成果，必将为土木与交通工程的隔振减振研究开辟一条新途径。