学术前沿 | 手性超材料拓扑优化及其在水下隔音中的应用

总之，本文提出了一种简单的水下手性超材料逆设计的拓扑优化方法。优化目标是在保持一定刚度的情况下，最小化手性晶格的声阻抗。通过拓扑优化，通过调整不同的初始解和输入主方向角，获得了各种具有低声阻抗和定制刚度的典型手性超材料。对其与方形晶格的等效参数的比较分析表明，手性超材料可以通过降低准纵波的速度，从而有效地实现沿晶格结构的特定主方向的低声阻抗。

制作了手性超材料的力学和声学样品，并通过单轴压缩和水下隔音试验，验证了定制的刚度和低声阻抗。水下隔声实验结果表明，每个样品的厚度只有32 mm，在1kHz-5kHz的低、宽频范围内，平均STL超过13.5 dB。此外，施加一定的静水压力，验证了具有定制刚度的试样能够保持稳定的隔声性能。需要注意的是，低声阻抗是本工作的高性能水下隔声的主要目标，由于刚度设置的水平相对较低，本样品无法承受较高的静压。综上所述，本研究旨在探索手性超材料在水下隔声中的潜在优势，可为提高耐高压水性隔声结构的刚度提供一定的参考。