热-力-电耦合下智能声学超材料夹层板结构的带隙调控及优化

20241231

科学研究和技术服务业

随着工程技术的发展，振动或波动问题在各个工程领域越来越受到重视。材料受冲击动荷载作用，可能产生失效破坏而影响结构质量；机械受振动作用，会影响加工设备的工作精度甚至造成机械设备的疲劳破坏，而设备的振动则会向周围辐射声波产生噪声污染，影响人们的身体健康。在这种情况下，对结构本身的结构进行相应的设计和控制，来抑制结构中的有害振动显得尤为重要。在项目研究中发现，超材料夹层结构中热-电参数、阵子组合方式、材料参数、结构的几何参数及组合形式等这些参数的变化对超材料夹层结构的振动、隔声及波传播特性有不同程度的影响，对结构振动及波传播的机理有了更加明确的揭示，同时热-电效应可以对结动力学特性、声学特性及波动特性起到很好的调节作用。而且结构组成中基体和散射体布置方式的不同，会导致结构中出现低频的局域共振带隙，因此可以通过适当选择这些参数达到低频范围内减振降噪的效果。这些新现象和新机理的发现，为声学超材料结构在工程中的应用提供了一定的技术支持。而且通过对结构进行优化，包括单参数和多参数优化，单目标和多目标优化，可以达到对隔声效果和波传播的调控，实现低频范围弹性波传播的抑制作用。这些研究为科技成果的转化提供了技术上的指导。在工艺方面，明确相关法律法规和标准规范，??加工多功能器件，搭建实验装置，振动台、功率放大器、传感器、信号发生系统、激振器、力传感器、加速度传感器、动态信号分析仪、激光扫描仪、电路设备等。调整好温度，信号处理系统产生一定频率范围内的宽带白噪声信号，功率放大器将这一信号进行放大并驱动模态激振器产生相应的振动，因而激发出声学超材料夹 层板的弹性波，通过加工的结构传播到另一端，振动信号的采集则通过激光扫描测振仪来完成，将系统中预先设置好的测振点的振动数据采集后，通过频谱分析仪进行频谱分析，获得透射频谱。改变施加激励的方式，调整各项参数，多次测试。在此过程中，注意安全管理措施，确保操作人员的安全和设备的正常运行。在工艺过程中要采取相关的环境保护措施，如最后废器材的处理，要确保符合环保要求。在工艺过程中补课避免会遇到一些问题，如环境温度调控不合理，电路设备连接不完整等，所以要仔细检查，确保每一个细节，并且多次进行测试，不断优化，以达到一个满意合理的结果。目前研究团队有一些人员，大家都有明确的工作任务和工作分工，后期需要不断完善。我国在科技创新领域取得了重要成果，涵盖了人工智能、新材料、新能源、生物医药等多个领域，这些成果已成功应用于生产和社会实践中，取得了良好的经济和社会效益。借助已有的科技领域，结合现有的理论研究成果，准备和科研结构或企业合作，进行下一步的成果转化。

根据本项目研究的声学超材料结构在汽车、高速列车、舰船、潜艇、航天飞行器、电子精密仪器等中有重要的应用，还可以在智能汽车、新能源汽车、生物医疗设备等结构中推广使用。在成果的实际应用转化中，需要得到有关部门和政府的在政策和资金上的支持，用于购买相关的设备，如振动和声学测试装备，搭建一套完整的生产建设线。同时，需要在市场上进行推广，对相关人员进行定期的培训，这些都需要一定的资金投入。实验场地安全、通风系统、温湿度控制系统等应符合相关标准和规范；检测仪器应定期进行检定和校准，确保准确可靠。保持场地的清洁和卫生，定期清扫实验室、办公区等场所，确保无尘土、无异味；样品存储区应标识清晰，防止混淆和污染。建立完善的安全管理制度，制定安全操作规程，配备安全防护设备，定期进行安全检查。设备配置齐全，在长时间运行中必须能够保持较低的错误率，不受外界环境的干扰，具备高度的抗干扰能力和稳定的工作环境。能够在测试、测量、分析等过程中输出的结果必须与实际值高度接近，配备高精度的传感器和测量系统，并定期进行校准和维护。设备应具备多种测试功能，如温度、湿度、压力、电流等参数的测试，并具备良好的自动化性能，以提高实验效率。实验设备需具备数据记录和报告生成功能，能够记录实验过程和结果的数据，并生成相应的报告。在这些过程总，组建一个优良的团队非常必要，而且在团队协作中，必有有共同的目标，确保顺利沟通。团队成员需要通过多种方式进行沟通，分享信息。团队成员需要相互信任，相信队友的能力和贡献。每个成员都有自己独特的技能和优势，明确的角色分工可以充分发挥每个人的特长，避免资源浪费和工作重复。通过明确每个人的职责和任务，可以确保团队成员知道自己的工作重点和责任范围，从而提高工作效率。制定具体、可衡量、可实现、相关性和有时间限制的明确的目标，提供方向和动力，帮助团队成员集中精力，克服困难，完成任务。同时每个团队成员都需要有责任感，对自己的工作负责。团队需要具备创新精神，不断寻找新的解决方案和方法。在面对困难时，团队成员需要勇敢前进，不退缩。只有克服困难，才能取得成功。与科研机构或者企业建立产学研合作关系，共同推进成果的顺利转化。

仅限国内转让

把超材料夹层结构应用在机械、电子、航空等领域，可以改善这些领域的设备，有可能制造出新的产品或者服务，符合市场的需求，提高生产效率、降低成本，带来经济的发展。用在医疗器械设备中，通过新材料和新结构的合成使用，降低器械的成本，减少能源消耗，提升利润成本。该项科技成果如果顺利转化，可以减少振动和噪声给人们带来的不舒适感，改善环境，提高人民的生活品质和健康水平，推动社会的发展。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

夹层板类结构具有高的比刚度、比强度、抗疲劳性、隔热、吸能、降噪、可设计等特点，目前被越来越多的应用于汽车、高速列车、舰船、潜艇、航天飞行器等对结构自重和噪声环境有较高要求的工程领域。随着新型应用材料的不断发展，发展了声学超材料夹层板结构来改变结构材料的振动和波动特性。本项目基于能量法建立了热-力-电作用下夹层板结构的声振耦合方程、隔声表达式及频散方程，对含有不同芯夹层板结构和带阵子超结构的振动特性、隔声特性、声辐射特性及波传播特性进行了研究，和其它方法或者有限元方法进行对比，证明了研究方法的正确性，同时分析了温度效应和压电效应对结构声振特性和波传播特性的影响。结果表明温度对结构的声学特性响较大，电压影响相对较小，而且热效应使结构刚度降低，带隙向低频移动，但是带隙宽度基本保持不变。通过改变热-电参数、阵子组合方式、材料参数、结构的几何参数及组合形式，分析了这些参数变化对超材料夹层结构的振动、隔声及波传播特性的影响，揭示了结构振动及波传播的机理，讨论了热-电效应对结动力学特性、声学特性及波动特性的调节作用。结果表明影响结构声振特性及波传播特性的因素很多，基体和散射体布置方式的不同，导致结构中出现低频的局域共振带隙，因此可以通过适当选择这些参数达到低频范围内减振降噪的效果。在此基础上，对结构进行优化，以达到对隔声效果和波传播的调控，实现低频范围弹性波传播的抑制作用，并采用数值仿真验证了理论结果的正确性和有效性。优化结果表明，可以选择单参数和多参数优化，单目标和多目标优化，但是综合优化的效果比单一优化效果要好。根据计算的声振特性及能带结构，采用仿真测试计算传输谱，与带隙结果进行比较，验证理论结果的正确性。这些研究成果有些已经发表，有些在审稿中。已在国内外学术期刊上发表SCI检索论文6篇，中文核心论文1篇，发表EI会议检索论文2篇。这些论文得到了同行专家的认可，其中有些论文得到了国内外学者的广泛引用。在本项目支持下，参加国内举办的国际学术会议2次，国内学术会议5次，参加一次国外举办的国际学术会议，并做大会报告，和同领域的专家学者进行面对面的交流。培养硕士研究生6名，其中已毕业3名。本项目从理论、计算及仿真为多场作用下超材料结构的应用奠定了基础，为热-力-电作用下超结构的设计与开发提供了重要的理论指导意义，为可调谐的热-电-力多功能一体化结构的实际应用提供了理论基础，促使动力学和超材料学科的发展。