一种基于局域共振的低频超宽带隙瓣状声学超材料

针对低频声波的衰减问题,设计了一种基于局域共振(Local Resonance,LR)机理的带瓣型结构的声学超材料,并运用COMSOL有限元软件MULTIPHYSICS 4.3计算分析了所设计的结构元胞带隙特性及其振动特性,研究表明,所设计的声学超材料比无瓣型声学超材料带隙更宽,并且仅用单层结构同种元胞组合就可以在一定频率下形成较宽的多个完全带隙,而不需要通过不同种元胞组合或是多层结构的复合而达到一定带隙特性。在此基础上,进一步对所设计的声学超材料的几何尺寸进行了优化。     

吸波材料与超材料复合结构吸波性能研究

吸收频带宽、吸收能力强一直是吸波材料研究所致力的目标。在碳纤维布/CIP/环氧树脂结构吸波材料的基础上,复合金属短线网格结构的超材料,利用CST MWS软件的谱域法对吸波材料与超材料的复合结构进行仿真。发现设计合适的金属线间距(a=4 mm)和超材料距表面的复合位置(d=2 mm),能合理调节复合结构的电磁参数,将反射率在2～18 GHz低于-10dB的带宽由3 GHz拓宽至12.4 GHz。     

超材料吸波体研究进展与展望

采用吸波材料的隐身技术是最重要的隐身方式之一,它被广泛地应用在军用和民用等各个领域。综述了当前国内外吸波材料的最新研究进展,介绍了吸波原理及吸波材料的分类及其应用。重点论述了超材料吸波体的分类和研究现状。最后展望了超材料吸波体的努力方向和发展前景。     

结构无序化对吸波超材料性能的影响

近年来,超材料由于其独特的电磁响应特性得到了世界各国研究者的关注,并得到了广泛的应用,其中,用于电磁波吸收是研究重点之一。通常情况下超材料由结构单元按照周期排列构成,然而最近无序结构超材料引起了研究者的关注,因为它们表现出了一些比传统周期结构超材料更加优异的性能。为此,系统研究了关键结构参数无序化对短切线吸波超材料性能的影响。结果表明,短切线长度的无序化可拓展吸波带宽,为宽带吸波材料的设计提供了一种思路,空间取向的无序化可使得短切线吸波超材料电磁特性由单极化响应向任意极化响应转变,而空间位置的无序化则对吸波性能的影响可忽略不计,在微波频段进行了数值仿真和实验测试的验证,并分析与讨论了无序吸波超材料在工程领域的应用前景。提出的方法对其他结构以及频段的吸波超材料也有重要的参考。     

结构参数对薄膜型隔声超材料带隙移位特性的影响

针对薄膜型隔声超材料,在考虑内嵌质量块的形状和尺寸的前提下,研究其隔声降噪机理及隔声性能的微结构参数影响规律。首先建立薄膜型隔声超材料多自由度的振动分析模型,该模型引入内嵌的圆盘形质量块的平移和绕面内轴旋转自由度的模态特性。进而研究薄膜型超材料单胞结构单元的弹性常数、质量块质量及尺寸等参数对薄膜型超材料隔声"带隙"频段的影响。研究结果表明:金属圆盘形质量块的质量、半径以及橡胶薄膜的弹性常数对薄膜型超材料的固有振动频率均产生一定的影响;质量块半径越大,低频段的"带隙"的频率将向高处移位;质量块的质量越小,系统低频和高频段的"带隙"频率均增大,但此时中频段的"带隙"频率在166 Hz附近基本保持稳定;薄膜弹性常数的增大将导致中频段"带隙"频率增大,但影响不显著。     

“超材料”结构吸波复合材料技术研究

研究了"超材料"结构吸波复合材料的制备技术及其力学性能与电性能。通过突破不同尺寸金属周期结构单元制备、金属周期结构单元转移、含金属周期结构单元吸波复合材料工艺参数优化等关键技术,制备出电性能和力学性能批次间稳定性良好的含多层金属周期结构单元的"超材料"结构吸波复合材料,"超材料"结构吸波复合材料在2~18GHz频率范围具有宽频高吸收的特性。     

低电导率超材料的吸波性能研究

本文研究了由低电导率材料制备的超材料的吸波性能,通过仿真软件计算了不同电导率超材料吸波性能,研究了其变化规律,在复合材料基材上采用喷涂法制备了电导率为2.3×10~4 S/M的超材料结构,探究了不同基板厚度时超材料吸波体的吸波性能变化规律.仿真结果表明,低电导率材料在一定基材厚度下可以实现电磁波的高吸收,并且基材的厚度有最优值,这说明电导率也可以成为设计超材料的参数.制备的超材料基底材料厚度为2 mm时,其在7.8 GHz处实现了-23.2 dB的深吸收,实验规律与仿真结果相吻合.采用喷涂法有助于解决超材料在大曲率、复杂外形等部位难以应用的问题,为超材料的制备以及其大规模应用开辟了一个新的方向.     

叠层结构电磁超材料吸波体的特性研究

以现有的电磁超材料吸波体的主要方案为基础,对吸波体结构进行改进,研究并比较了相同单元叠层结构、不同单元叠层结构超材料吸波体的性能。根据仿真分析得出:适当增加相同单元叠层结构的层数,不仅吸波率得到提升,还会出现多个吸波峰;此外,不同单元叠层结构,在参数合理配置时,不仅拥有相同单元叠层结构的多频段、高吸波率、宽频带等优点,还可以实现近100%吸波率的完美吸波。     

一种局域共振型声学超材料的半解析建模与带隙机制研究

基于声学黑洞(acoustic black hole, ABH)弧形梁体积小且模态频率丰富的特点,将声学黑洞弧形梁作为附加结构周期分布在直梁上,达到促进局域共振效应和拓宽低频带隙的作用,由此构建一种新的局域共振型声学超材料。针对局域共振型超材料,采用高斯展开法,建立其半解析理论分析模型,基于零空间法处理其内部连接以及周期边界条件,并通过有限元法验证半解析理论分析模型的准确性。分析和计算其能带结构,研究结构参数以及ABH效应对布拉格带隙以及局域共振带隙的影响机理。研究结果表明,该半解析理论模型能够对结构的带隙进行有效计算,附加弧形ABH的陷波机制能够促进结构的局域共振效应并对主梁进行有效减振,为声学黑洞声学超材料的应用提供了新的思路。     

一种基于超材料的双频吸波器设计与实验研究

本文设计、分析和加工了一种单层双频超材料结构,该结构由3层构成,表层和底层由金属铜板组成,中间层为有损耗的介质基板FR-4.通过仿真优化表明,该结构在谐振频率5.32 GHz和9.77 GHz处吸波率分别达到95%和94.2%.实测数据显示在谐振频率5.15 GHz和9.45 GHz处的反射系数分别为-14 dB和-13 dB,实现了电磁波的双频强吸收.此外由于该结构具有正交对称性,因此具有极化不敏感特性,又经仿真得到该结构具有宽入射角特性.结果表明,该超材料吸波器在特定频段电磁功能器件领域具有潜在的应用价值.     

周期蜂窝超结构的振动性能分析

为探究周期蜂窝超结构在动力学减振控制方面的应用潜力,采用数值仿真分析方法,通过能带结构、模态振型、物理特性及有限阵列结构传输特性对周期蜂窝超结构的带隙特性及其形成机理开展深入分析。研究结果表明：在450 Hz以内,由硅橡胶组成的二维周期蜂窝超结构（晶格常数α为9.8 mm）的能带结构中存在两条完全带隙,并且多条方向带隙(Γ-X)对于拓宽减振频率范围具有重要意义;具有附加连接的二维周期蜂窝结构具有更为显著的带隙特性,而且连接处使用刚性材料更有助于增强弹性波在结构中的衰减性能;无限周期结构的带隙频段和有限阵列结构的振动衰减频段具有较好的吻合性。该项工作可为结构减振设计提供新思路、新方法。     

多重声学超材料转子动力学及带隙特性

为探究利用多重声学超材料抑制转子系统振动的机理,理论研究多重超材料转子结构的动力学行为及带隙特性。建立多重超材料转子的振动微分方程;分别采用假设振型法和有限元法对模型进行离散和验证;基于无限超材料假设,推导出多重超材料转子带隙的表达式;利用谐波平衡法和特征值理论对振动方程进行求解,获得多重超材料转子稳态与瞬态动力学行为及带隙特性,并分析超材料参数对转子动力学行为及带隙特性的影响。结果表明,多重超材料转子结构形成以局域共振单元固有频率为近似中心频率的多个单独的、具有移频特性的带隙;超材料的阻尼降低结构共振区的幅值,并将单独的带隙连接到一起,扩大带隙范围。多重声学超材料可以实现转子系统稳态与瞬态振动抑制。