[发明专利]一种任意曲面形状薄壳型声学超结构设计方法

说明书

本发明公开了一种任意曲面形状薄壳型声学超结构设计方法，其用于薄壳型中低频宽带隔声结构设计、曲面壳状超薄轻质吸声结构设计、以及贴合复杂曲面形状的超薄地毯式声学隐身斗篷设计等。通过这种方法设计的薄壳类隔声结构，当曲率半径降低到一定范围后隔声量曲线可以打破刚度控制区和阻尼控制区之间的截止频率限制，消除截止频率处的隔声低谷，获得优异的低频宽带隔声性能。本发明通过适当选择双层壳之间的间距，双层壳结构可以实现双各向异性的完美吸声。为了调节所设计的复杂曲面形状结构的相位补偿，实现波前相位任意调控的功能，采用等相位设计方法，可以设计出完全贴合复杂结构表面形貌的曲面地毯式声学隐身斗篷。

技术领域

本发明属于声学超结构技术领域，具体涉及一种任意曲面形状薄壳型声学超结构设计方法。

背景技术

声学超结构是一种具有亚波长尺寸的人工复合结构，通过微结构设计，可以实现声学带隙、负等效质量密度、负体积模量、双负等效参数、负折射率、负剪切模量、全反射、反常反射/折射、完美吸声、声聚焦、自准直、反常多普勒效应及非互易声传输等众多奇特的物理现象。因此，在振动与噪声抑制、声学成像、声能聚焦、超透镜、波导及隐身等方面展现出令人期待的广泛应用前景。根据工作原理和组成形式，可以将常见的微结构简单归类为弹簧-质量型结构、共振腔结构、薄膜和薄板型结构、以及迷宫结构等几大类。其中，由于厚度薄，重量轻等优点，薄膜和薄板结构受到了人们的普遍关注。然而，实际工程中，具有复杂曲面形状特征的薄壳结构比薄板结构的应用更为广泛，比如飞机、汽车、火车等的车身基本都是由薄壳结构装配而成的。而事实上，目前超结构的设计主要是集中在薄膜和薄板结构方面，薄壳方面的设计方法是缺乏的。因此，为了更好的指导工程应用，指导复杂形状的声学超结构设计，急需开发能够适应任意曲面形状的薄壳结构设计方法。

声学超表面的一个很重要应用是用来设计声学隐身斗篷，而在众多的声学斗篷中，地毯式斗篷由于结构薄，有较好的应用前景，而且已经有大量的工作从理论和实验方面都获得了成功。然而，目前所用元胞结构都属于平面结构，致使这些斗篷都只能在元胞覆盖区域的曲率较小时才能以直线近似弧线的方式近似实现任意形状隐身设计，而当隐身对象曲率较大时，无法得到完全贴合表面的地毯式隐身斗篷。因此，设计可以完全贴合隐身对象的表面曲线形状的地毯式隐身斗篷，可以为设计任意形状的地毯式隐身斗篷提供支撑。而目前，这方面的设计方法是缺乏的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种任意曲面形状薄壳型声学超结构设计方法，用以指导能够适应复杂空间曲面形状要求的亚波长声学结构设计。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种任意曲面形状薄壳型声学超结构设计方法，该方法分为用于隔声的薄壳结构设计方法、用于吸声的薄壳结构设计方法以及用于声学隐身的薄壳型超表面结构设计方法三种；其中，

用于隔声的薄壳结构设计方法，采用单层薄壳结构，壳的曲面构型根据实际需要确定，选择圆柱壳、旋转壳或者不规则曲面壳；对于面积相对较大的应用，将其分为若干个小区域进行设计，每个区域的结构之间通过满足刚度要求的框架分隔开；

用于吸声的薄壳结构设计方法，采用双层薄壳结构，两层薄壳之间通过空气层分隔，壳的曲面构型根据需要确定，选择圆柱壳、旋转壳或不规则曲面壳；空气层的厚度各个部位处处相同或者各不相同；对于面积相对较大的应用，将其分为若干个小区域设计，每个区域的结构之间通过满足刚度要求的框架分隔开；

用于声学隐身的薄壳型超表面结构设计方法，同样采用双层薄壳结构，两层薄壳之间通过空气层分隔，壳的曲面构型根据待隐身结构外形确定，保证与待隐身结构贴合并具有与待隐身结构相近的几何外形；空气层的厚度各个部位处处相同或者各不相同；对于特定的应用对象，将其分为若干个小区域进行设计，每个区域的结构之间通过满足刚度要求的框架分隔开。

本发明进一步的改进在于，用于隔声的薄壳结构设计方法，具体包括如下几个步骤：