[發明專利]一種任意曲面形狀薄殼型聲學超結構設計方法

有效

• 申請號: 201910447231.X
• 申請日: 2019-05-27
• 公開（公告）號: CN110223666B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 馬富銀;徐宜才;吳九匯
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G10K11/16
• 分類號: G10K11/16;G10K11/168
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 李紅霖

本發明公開了一種任意曲面形狀薄殼型聲學超結構設計方法，其用于薄殼型中低頻寬帶隔聲結構設計、曲面殼狀超薄輕質吸聲結構設計、以及貼合復雜曲面形狀的超薄地毯式聲學隱身斗篷設計等。通過這種方法設計的薄殼類隔聲結構，當曲率半徑降低到一定范圍后隔聲量曲線可以打破剛度控制區和阻尼控制區之間的截止頻率限制，消除截止頻率處的隔聲低谷，獲得優異的低頻寬帶隔聲性能。本發明通過適當選擇雙層殼之間的間距，雙層殼結構可以實現雙各向異性的完美吸聲。為了調節所設計的復雜曲面形狀結構的相位補償，實現波前相位任意調控的功能，采用等相位設計方法，可以設計出完全貼合復雜結構表面形貌的曲面地毯式聲學隱身斗篷。

技術領域

本發明屬于聲學超結構技術領域，具體涉及一種任意曲面形狀薄殼型聲學超結構設計方法。

背景技術

聲學超結構是一種具有亞波長尺寸的人工復合結構，通過微結構設計，可以實現聲學帶隙、負等效質量密度、負體積模量、雙負等效參數、負折射率、負剪切模量、全反射、反常反射/折射、完美吸聲、聲聚焦、自準直、反常多普勒效應及非互易聲傳輸等眾多奇特的物理現象。因此，在振動與噪聲抑制、聲學成像、聲能聚焦、超透鏡、波導及隱身等方面展現出令人期待的廣泛應用前景。根據工作原理和組成形式，可以將常見的微結構簡單歸類為彈簧-質量型結構、共振腔結構、薄膜和薄板型結構、以及迷宮結構等幾大類。其中，由于厚度薄，重量輕等優點，薄膜和薄板結構受到了人們的普遍關注。然而，實際工程中，具有復雜曲面形狀特征的薄殼結構比薄板結構的應用更為廣泛，比如飛機、汽車、火車等的車身基本都是由薄殼結構裝配而成的。而事實上，目前超結構的設計主要是集中在薄膜和薄板結構方面，薄殼方面的設計方法是缺乏的。因此，為了更好的指導工程應用，指導復雜形狀的聲學超結構設計，急需開發能夠適應任意曲面形狀的薄殼結構設計方法。

聲學超表面的一個很重要應用是用來設計聲學隱身斗篷，而在眾多的聲學斗篷中，地毯式斗篷由于結構薄，有較好的應用前景，而且已經有大量的工作從理論和實驗方面都獲得了成功。然而，目前所用元胞結構都屬于平面結構，致使這些斗篷都只能在元胞覆蓋區域的曲率較小時才能以直線近似弧線的方式近似實現任意形狀隱身設計，而當隱身對象曲率較大時，無法得到完全貼合表面的地毯式隱身斗篷。因此，設計可以完全貼合隱身對象的表面曲線形狀的地毯式隱身斗篷，可以為設計任意形狀的地毯式隱身斗篷提供支撐。而目前，這方面的設計方法是缺乏的。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供了一種任意曲面形狀薄殼型聲學超結構設計方法，用以指導能夠適應復雜空間曲面形狀要求的亞波長聲學結構設計。

本發明采用如下技術方案來實現的：

一種任意曲面形狀薄殼型聲學超結構設計方法，該方法分為用于隔聲的薄殼結構設計方法、用于吸聲的薄殼結構設計方法以及用于聲學隱身的薄殼型超表面結構設計方法三種；其中，

用于隔聲的薄殼結構設計方法，采用單層薄殼結構，殼的曲面構型根據實際需要確定，選擇圓柱殼、旋轉殼或者不規則曲面殼；對于面積相對較大的應用，將其分為若干個小區域進行設計，每個區域的結構之間通過滿足剛度要求的框架分隔開；

用于吸聲的薄殼結構設計方法，采用雙層薄殼結構，兩層薄殼之間通過空氣層分隔，殼的曲面構型根據需要確定，選擇圓柱殼、旋轉殼或不規則曲面殼；空氣層的厚度各個部位處處相同或者各不相同；對于面積相對較大的應用，將其分為若干個小區域設計，每個區域的結構之間通過滿足剛度要求的框架分隔開；

用于聲學隱身的薄殼型超表面結構設計方法，同樣采用雙層薄殼結構，兩層薄殼之間通過空氣層分隔，殼的曲面構型根據待隱身結構外形確定，保證與待隱身結構貼合并具有與待隱身結構相近的幾何外形；空氣層的厚度各個部位處處相同或者各不相同；對于特定的應用對象，將其分為若干個小區域進行設計，每個區域的結構之間通過滿足剛度要求的框架分隔開。

本發明進一步的改進在于，用于隔聲的薄殼結構設計方法，具體包括如下幾個步驟：