Nature子刊丨国防科大温激鸿团队在减振超材料研究上取得突破

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近日，国防科技大学·智能科学学院·装备综合保障技术重点实验室温激鸿研究员团队在非线性声学超材料低频宽带高效减振特性研究上取得重要进展。该团队基于混沌带新机理，用典型梁板类结构设计了一维和二维非线性声学超材料，获得了超低频、超宽带的高效振动抑制效果，突破了传统线性结构应用带隙减振的窄带理论极限，将总抑制带宽提高了两个数量级。

相关成果“Ultra-low and ultra-broad-band nonlinear acoustic metamaterials”长文发表在国际权威杂志《Nature Communications》上。论文第一作者为博士研究生方鑫。

全文链接: http://rdcu.be/x3Pt

DOI: 10.1038/s41467-017-00671-9

振动和噪声控制技术是工业生产、交通运输、武器装备等领域的关键技术之一，直接关乎高铁、舰船、飞机、运载火箭等大国重器的可靠性与品质，受到各国研究者的高度关注。获得低频宽带高效的减振降噪效果是减振降噪技术发展的重要目标。

声学超材料是具有超常特性的亚波长弹性波调控材料，其能带结构中的弹性波禁带（即带隙）能够高效抑制结构的振动和声辐射，为振动噪声控制提供了新的途径从而得到大量关注。目前该领域的研究工作主要聚焦于线性超材料。然而，基于共振的线性超材料带隙的归一化带宽γ通常远小于1（在附加质量比小于50%的情况下，γ=带宽/起始频率），即使采用带隙耦合拓宽总禁带范围，γ依然小于1；此外，其通带内的响应特征由密集的共振峰组成，因而通带不仅不能抑制振动和噪声，反而可能使其增强放大。为了获得低频、宽带、高效的振动抑制材料，国内外团队对线性超材料结构进行了大量探索与优化研究，然而受限于线性的理论原理，效果仍然不理想。

图1 一维和二维非线性超材结构。（a）元胞的侧视图，蓝色和红色部分代表三个磁铁，在磁铁和固定柱之间有一个小间隙δ；（b）整个附加结构的等效物理模型（一维结构）；（c）二维结构中的等效扭转运动模型；（d）由12个元胞构成的非线性超材料梁和实验测试图；（e）由10×10个周期性附加振子构成的非线性超材料板结构。

非线性声学超材料是由非线性动力学特性主导的弹性波亚波长结构性材料。近年来，该团队开拓了非线性声学超材料这一前沿研究领域，发现并提出了一种新的低频宽带机理—混沌带。他们设计了包含立方非线性和碰撞冲击非线性的强非线性元胞（如图1a-c所示），构建了一维和二维非线性超材料梁/板结构（如图1d,e所示）。研究结果表明，在强非线性条件下，基于混沌带设计的一维超材料使30-660Hz内的振动衰减20-40dB，二维超材料使30-1200Hz内的振动衰减15-40dB，归一化作用带宽γ达到39，极大突破了传统结构的理论极限，如图2所示。他们综合应用非线性色散、非线性频响、降维分岔、混沌指数等理论和实验方法，阐明了非线性超材料中的线性与非线性弹性波控制效应与变化规律，证明了非线性混沌波传播机理，同时还发现了带隙内弹性波传播的多态突变特性。

此研究不仅提供了一种新型材料设计技术，也证明了一个新的原理并揭示了非线性声学超材料中波的作用机制和基本动力学特性，对推动这一前沿领域的发展与应用具有重要意义。该技术有望为突破各型装备上面临的振动与噪声控制瓶颈提供新的理论与思路。

图2 二维非线性声学超材料的传递函数与能带图。（a）整个面内的平均传函；（b）边界上某个点的传递函数图，从黑线到红线(i→iv)代表材料状态从线性变到强非线性；（c）结构的能带结构图，其通带变成了混沌带，LR1和LR2表示两个非线性源的线性化带隙位置。

近年来，国防科技大学智能科学学院装备综合保障技术重点实验室温激鸿研究团队在声子晶体、声学超材料基础理论与减振降噪应用探索研究领域开展了诸多富有成效的研究工作。团队出版《声子晶体》等专著3部，发表SCI论文100余篇（SCI他引1000余次），成果获2012年度湖南省自然科学一等奖。

来源：CAE仿真学社

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首次发布时间：2023-04-02