柔性声学超构材料的功能基元与序构设计研究

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声学超构材料是主要依赖结构设计来超越自然界声学材料的人工材料,可以实现包括声学隐身、亚波长成像、完美吸声、声学全息等非凡的声波操控功能。而柔性声学超构材料是对声学超构材料的重大革新。引入柔性材料,可以为声学超构材料附加实时可调节的操控性能,实现超构材料器件的低成本大规模制造,实现对曲面物体的共形贴附以及开发对人体友好的生物声学界面等。柔性声学超构材料的发展目前尚在起步阶段,基本的功能基元和序构方式以及相关的研究方法都不算丰富。本文围绕如何在柔性材料体系中设计新的功能基元,完善柔性超构材料体系的序构设计以及维持变形下的性能这三个问题,从柔性功能基元设计、柔性序构方式设计、以及柔性声学超构材料在形变条件下的性能保持三个方面进行了研究。这三个方面共同补充并发展了柔性声学超构材料,而每一个方面的研究也各自扩展了新的应用场景。文章的主要工作如下:首先制备了一种新型的柔性声学功能基元。具体提出了一种基于柔性纤维/硬质颗粒的弹簧振子结构,并且利用静电纺丝技术进行一体化成型,制备出了弹簧振子复合网状结构的声学超构表面。这种超构表面膜材的厚度根据具体工作频率约为30?m~1 mm,最薄为所调控波长的1/680(声相位改变180度需要的厚度),远薄于目前刚性声学超构表面的厚度。在提出的新型柔性声学超薄膜基础上,本文结合中国传统剪纸艺术,提出了利用激光切割技术对相控薄膜进行裁剪的方案,从而实现对透射声波波前的任意操控。具体地,本文设计了条带图案切割、费马螺线切割、彭罗斯晶格圆孔切割三种图案来分别实现了声学聚焦、声涡旋和声学超振荡亚波长分辨的效果。其次引入了一种新型的柔性声学超构材料序构设计——无序超均匀排列,并且在软材料中实现了基于无序超均匀的声子结构。进一步基于无序超均匀的声子结构边界可以任意定制的特性,本文利用无序超均匀图案分布构建了内部声子带隙反射界面来逼近理论上的完美声学黑洞,设计出了新型的柔性无序超均匀弹性超构材料(Disordered hyperuniform elastic metamaterials,DHEM)。DHEM在宽频范围内拥有约4000倍的弹性波增强效果。这样的柔性DHEM拥有更稳定强韧的结构,形状可以任意设计的上表面,较低廉的材料和加工成本,以及较轻的重量。并且在一定程度整体结构变形的情况下,柔性DHEM依然可以保持完善的功能。最后提出了柔性声学超构材料在变形条件下的性能保持方案。柔性可以给超构材料带来共形贴合等优势,但同时对结构的改变也可能会使原本的功能失效,给超构材料设计带来了挑战。本文针对其中两个方面具体的挑战提出了相应的解决方案。第一个显著的挑战就是贴合于曲面时,平面超构表面设计理论不完全适用。本文针对这个问题,提出了柔性声学超构表面贴覆在非平面上进行聚焦的理论和设计方案。进一步地,本文还在圆锥曲面超构表面的基础上提出了“伞状模型”来实时动态调焦。第二个显著的挑战就是弹性波波导变形条件下传播损耗较大。本文针对这项挑战,提出了低变形损耗的柔性无序超均匀弹性波波导。在包括拉伸、压缩、弯曲等多种变形条件下,声子晶体弹性波导的工作频率带宽都出现了平均约50%大幅的减少,而柔性无序超均匀弹性波波导平均带宽减少只有约20%。
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