基于变密度法的水声隔声超材料拓扑逆向设计
Inverse topological design of underwater sound insulation metamaterials based on a density-based method作者机构：国防科技大学智能科学学院长沙410073 国防科技大学装备综合保障技术重点实验室长沙410073
出 版 物：《中国科学:技术科学》 (Scientia Sinica(Technologica))
年 卷 期：2023年第53卷第8期
页 面：1360-1371页
核心收录：
学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学]
基 金：国家自然科学基金重大项目(批准号:11991032) 国家自然科学基金面上项目(批准号:52171327)资助。
主 题：声学超材料 低频水声隔声 低声阻抗 慢波速 负泊松比
摘 要：低声阻抗超材料在水下环境中可以被视为声学软边界,并且在水声隔声方面具有重要应用前景.然而,设计出能够有效阻隔低频水声声波(1000 Hz)的低声阻抗超材料仍然面临挑战.本文基于变密度法,对具有90°旋转对称性的低声阻抗超材料开展拓扑逆向设计,得到了一类具有中心四边形框架附着变截面韧带拓扑特征的声学超材料,其声阻抗只有水的1/40~1/30.有限元仿真揭示了超材料在薄厚度约束下(41 mm)能够在200~1000 Hz低频宽带范围内实现高效的水声隔声,平均隔声量大于19 dB.进一步等效参数分析发现,通过改变超材料方位角,能够产生纵波速度远小于横波速度的新颖物理现象.慢纵波速度使得超材料获得更低的等效声阻抗,从而进一步实现低频宽带水声隔声性能.本文的工作有望为低频宽带水声隔声超材料设计提供一种新的思路.
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