一种可变性能的承载-声学超材料设计方法

本发明涉及声学领域和力学领域，具体涉及一种可变性能的承载-声学超材料设计方法。

背景技术：

1、目前，研究人员研究的承载-声学超材料大多只能在特定场所实现特定功能，很难在不同的工程项目中使用同一种超材料。上述难点存在的原因是，微观结构的局限性和制造方法的缺陷。现阶段，用于构建周期性承载-声学超材料的方法大多参考前人的经验，为了实现预期效果对微观结构进行重复叠加。构建非周期性承载-声学超材料的方法大多利用了拼图规则，对多种微观结构进行拼接从而呈现出结构非均质性，但仍然是微观结构的重复叠加。现有方法无法保证局部非周期性，通用性和构建过程中的灵活性，更无法保证同一种超材料在不同场所展现出不同性能。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提出一种可变性能的承载-声学超材料设计方法，打破承载-声学超材料的结构多以周期性阵列的现状，解决同一种设计方法设计的承载-声学超材料只能在特定场所实现特定功能的缺陷。

2、技术方案：本发明提供一种可变性能的承载-声学超材料设计方法，包括如下步骤：

3、(1)设计基本组件(1-4)并对它们进行旋转以形成新的组件(5-12)；建立拼接规则和给出概率组合；创建一个拼接区域(16)来容纳最终结果。

4、(2)为拼接区域(16)中的每一个格子(15)分配一个布尔值“true”。“true”表示格子(15)还未被组件(13)占用，“false”表示格子(15)已经被组件(13)占用。

5、(3)在拼接区域(16)中随机选择一个格子(15)，按照概率组合给该格子(15)分配一个具体组件(13)，同时将该格子(15)的布尔值更新为“false”。按照拼接规则和概率组合对布尔值为“false”的格子(15)的可用的相邻格子进行组件(13)分配和布尔值更新。如果有多个相邻格子可以被分配组件，寻找拥有最小熵的相邻格子。如果没有相邻格子需要被分配组件则执行第(4)步。

6、(4)判断拼接区域(16)中所有格子(15)的布尔值是否都是“false”，如果全部都是“false”则代表生成了不规则结构(18)，并进一步构造承载-声学超材料(17)。否则，从新执行步骤(2)、(3)和(4)。

7、进一步地，本发明阐述的方法包含4个影响因素：组件(13)，拼接规则，概率组合和拼接区域(16)。设计的基本组件(1-4)有4类，通过对这4类基本组件(1-4)顺时针旋转90°、180°和270°可以形成8个新的组件(5-12)。本发明中以基本组件(1-4)为基础进行旋转得到的新组件(5-12)和基本组件(1-4)属于同一类。本发明中拼接规则的作用在于限制组件(13)之间的连接，概率组合指定每类组件(13)出现的概率，拼接区域(16)限制组件(13)出现次数的总和。

8、进一步地，布尔值更新指的是将格子的布尔值从“true”更新为“false”。所有布尔值为“false”的格子(15)都需要对其可用的相邻格子进行组件(13)分配和布尔值更新。可用的相邻格子指的是布尔值为“true”的相邻格子。

9、进一步地，熵的计算方法为：

10、

11、其中i表示格子(15)i，t是格子(15)i适用的组件(13)数量，pj指的是t个组件(13)各自分配的概率，w代表t个组件(13)的概率相加的总和。

12、进一步地，拥有最小熵的相邻格子指的是：如果布尔值为“false”的格子(15)有多个相邻格子满足分配组件(13)的要求，熵值最小的相邻格子为拥有最小熵的相邻格子。

13、进一步地，按照本发明的方法生成不规则结构(18)后，参照微穿孔板原理进行承载-声学超材料(17)的设计。

14、进一步地，承载-声学超材料(17)由穿孔板(19)和多个腔室(20)组成。

15、进一步地，穿孔板上孔的类型分为3类(21-24)。第二类孔(偏下)(22)和第二类孔(偏右)(23)属于同一类孔。

16、进一步地，承载-声学超材料的腔室(20)数量与概率组合相关。同一概率组合下的腔室(20)数量近似相同，不同概率组合下的腔室(20)数量差异明显。

17、有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

18、本发明基于4个影响因素来设计承载-声学超材料，其打破了传统承载-声学超材料设计过程中组件周期排列的局限。此外，本发明生成的承载-声学超材料的声学性能和力学性能表现出多种特性，既有相同概率组合下性能的一致性，也有不同概率组合下性能的多样性。这些特性为打破当前承载-声学超材料只能在特定场所实现特定功能的局限性提供了灵感。

技术特征：

1.一种可变性能的承载-声学超材料设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：本发明包含4个影响因素：组件(13)，拼接规则，概率组合和拼接区域(16)。设计的基本组件(1-4)有4类，通过对这4类基本组件(1-4)顺时针旋转90°、180°和270°可以形成8个新的组件(5-12)。本发明中以基本组件(1-4)为基础进行旋转得到的新组件(5-12)和基本组件(1-4)属于同一类。本发明中拼接规则的作用在于限制组件(13)之间的连接，概率组合指定每类组件(13)出现的概率，拼接区域(16)限制组件(13)出现次数的总和。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：布尔值更新指的是将格子的布尔值从“true”更新为“false”。所有布尔值为“false”的格子(15)都需要对其可用的相邻格子进行组件(13)分配和布尔值更新。可用的相邻格子指的是布尔值为“true”的相邻格子。

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：熵的计算方法为：

5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：拥有最小熵的相邻格子指的是：如果布尔值为“false”的格子(15)有多个相邻格子满足分配组件(13)的要求，熵值最小的相邻格子为拥有最小熵的相邻格子。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：按照本发明的方法生成不规则结构(18)后，参照微穿孔板原理进行承载-声学超材料(17)的设计。

7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于：承载-声学超材料(17)由穿孔板(19)和多个腔室(20)组成。

8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于：穿孔板上孔的类型分为3类(21-24)。第二类孔(偏下)(22)和第二类孔(偏右)(23)属于同一类孔。

9.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于：承载-声学超材料的腔室(20)数量与概率组合相关。同一概率组合下的腔室(20)数量近似相同，不同概率组合下的腔室(20)数量差异明显。

技术总结
本发明涉及一种可变性能的承载‑声学超材料设计方法，其不仅打破了传统承载‑声学超材料设计过程中组件周期排列的局限，而且可以解决同一种设计方法设计的承载‑声学超材料只能在特定场所实现特定功能的问题。该设计方法首先需要设计出有限的基本组件，然后通过旋转基本组件以获得更多组件，紧接着明确每类组件的出现概率和组件与组件之间的拼接规则，最后在指定的拼接区域中构建不规则结构。在构建不规则结构的过程中，每一次拼接都需要向拥有最小熵的相邻格子扩展。基于构建的不规则结构生成承载‑声学超材料。

技术研发人员：夏百战,刘用
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15