近日，國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院裝備綜合保障技術(shù)重點實驗室溫激鴻研究員團隊與法國皮埃爾·瑪麗居里大學(xué)合作在非線性聲學(xué)超材料低頻寬帶減振特性研究上取得重要進展。
該團隊基于混沌帶新機理設(shè)計了一維和二維非線性聲學(xué)超材料，獲得了超低頻、超寬帶的減振抑制效果，突破了傳統(tǒng)線性結(jié)構(gòu)應(yīng)用帶隙減振的窄帶理論極限。相關(guān)成果《Ultra-low and ultra-broad-band nonlinear acoustic metamaterials》長文發(fā)表在國際權(quán)威雜志《自然·通訊》(Nature Communications)上。論文第一作者為博士研究生方鑫。
溫激鴻研究員(右)與方鑫博士（左）正在討論實驗
振動和噪聲控制技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、武器裝備等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接關(guān)乎機床、高鐵、艦船、飛機、運載火箭等大國重器的可靠性與品質(zhì)，受到各國研究者的高度關(guān)注。獲得低頻寬帶高效的減振降噪效果是減振降噪技術(shù)發(fā)展的重要目標。
聲學(xué)超材料是具有超常特性的亞波長彈性波調(diào)控材料，其能帶結(jié)構(gòu)中的彈性波禁帶（即帶隙）能夠高效抑制結(jié)構(gòu)的振動和聲輻射，為振動噪聲控制提供了新的途徑從而得到大量關(guān)注。目前該領(lǐng)域的研究工作主要聚焦于線性超材料。然而，基于共振的線性超材料帶隙的歸一化帶寬γ通常遠小于1（在附加質(zhì)量比小于50%的情況下，γ=帶寬/起始頻率），即使采用帶隙耦合拓寬總禁帶范圍，γ依然小于1；
此外，其通帶內(nèi)的響應(yīng)特征由密集的共振峰組成，因而通帶不僅不能抑制振動和噪聲，反而可能使其增強放大。為了獲得低頻、寬帶、高效的振動抑制材料，國內(nèi)外團隊對線性超材料結(jié)構(gòu)進行了大量探索與優(yōu)化研究，然而受限于線性的理論原理，效果仍然不理想。
圖1一維和二維非線性超材結(jié)構(gòu)。（a）元胞的側(cè)視圖，藍色和紅色部分代表三個磁鐵，在磁鐵和固定柱之間有一個小間隙δ；（b）整個附加結(jié)構(gòu)的等效物理模型（一維結(jié)構(gòu)）；（c）二維結(jié)構(gòu)中的等效扭轉(zhuǎn)運動模型；（d）由12個元胞構(gòu)成的非線性超材料梁和實驗測試圖；（e）由10×10個周期性附加振子構(gòu)成的非線性超材料板結(jié)構(gòu)。
非線性聲學(xué)超材料是由非線性動力學(xué)特性主導(dǎo)的彈性波亞波長結(jié)構(gòu)性材料。近年來，該團隊開拓了非線性聲學(xué)超材料這一前沿研究領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)并提出了一種新的低頻寬帶機理—混沌帶。他們設(shè)計了包含立方非線性和碰撞沖擊非線性的強非線性元胞（如圖1a-c所示），構(gòu)建了一維和二維非線性超材料梁/板結(jié)構(gòu)（如圖1d,e所示）。
研究結(jié)果表明，在強非線性條件下，基于混沌帶設(shè)計的一維超材料使30-660Hz內(nèi)的振動衰減20-40dB，二維超材料使30-1200Hz內(nèi)的振動衰減15-40dB，歸一化作用帶寬γ達到39，極大突破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理論極限，如圖2所示。他們綜合應(yīng)用非線性色散、非線性頻響、降維分岔、混沌指數(shù)等理論和實驗方法，闡明了非線性超材料中的線性與非線性彈性波控制效應(yīng)與變化規(guī)律，證明了非線性混沌波傳播機理，同時還發(fā)現(xiàn)了帶隙內(nèi)彈性波傳播的多態(tài)突變特性。
此研究不僅提供了一種新型材料設(shè)計技術(shù)，也證明了一個新的原理并揭示了非線性聲學(xué)超材料中波的作用機制和基本動力學(xué)特性，對推動這一前沿領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用具有重要意義。該技術(shù)有望為突破各型裝備上面臨的振動與噪聲控制瓶頸提供新的理論與思路。
圖2二維非線性聲學(xué)超材料的傳遞函數(shù)與能帶圖。（a）整個面內(nèi)的平均傳函；（b）邊界上某個點的傳遞函數(shù)圖，從黑線到紅線(i→iv)代表材料狀態(tài)從線性變到強非線性；（c）結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)圖，其通帶變成了混沌帶，LR1和LR2表示兩個非線性源的線性化帶隙位置。
（論文鏈接：http://rdcu.be/x3Pt ）
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