音響・変形制御に基づく新機能音響メタサーフェスの創成設計法の開発

基于声学和变形控制的新型功能声学超表面生成设计方法的开发

• 批准号: 17J09476
• 负责人: 野口 悠暉
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J09476/
• 关键词: 音響メタサーフェス; 均質化法; トポロジー最適化; 最適設計; 計算力学; マルチマテリアル

本年度では，前年度に構築済みの方法論を拡張し，音響構造連成系において所望の機能を示す音響メタサーフェスの創成設計を目的としたトポロジー最適化手法の構築について検討を行った．平面状に周期的に配列されたユニットセルの集合体として定義される音響メタサーフェスの設計においては，ユニットセルの特性のみではなく，メタサーフェスに対する入射音波の影響を考慮する必要がある．先行研究によると，波数空間上の複数の点の近傍における分散特性を適切に制御することによって，メタサーフェスが平面波音波に対し負の屈折現象を誘起することが知られている．そこで，前年度に構築済みの方法論を拡張し，波数空間上の複数の点の近傍における分散特性を制御するための最適化問題を定式化した．得られた最適構造を配列した音響メタサーフェスに対し平面波音波を与えると，負の屈折角をもって音波が伝搬する様子が確認でき，方法論の妥当性を確認できた．また，これまでに構築した手法は音響場のみを対象としており，弾性体材料中の横波弾性波を無視している．この近似は一般の弾性体材料で構成される音響構造連成系においては有効でない．そこで，音響構造連成系への方法論の拡張を目的とし，動弾性場を対象としたトポロジー最適化手法の構築を行った．動弾性方程式を対象とした高周波均質化法を導入し，トポロジー最適化手法と組み合わせた方法論を構築した上で最適化計算を行ったところ，所望の分散特性を示す弾性体メタマテリアルの最適構造を得ることができた．なお，弾性体材料の剛性率を0とする極限によって音響材料の表現が可能であるため，この方法論は音響構造連成系へ容易に拡張可能と考えられる．本研究の研究成果に基づき，今後は3次元音響構造連成系への拡張や，得られた最適構造に基づく試作品の作製及び実験による音響メタサーフェスの性能の検証が望まれる．

在今年，我们扩展了上一年已经构建的方法，并研究了旨在创建声学元图设计的拓扑优化方法，这些方法在声学结构偶联系统中表现出所需的功能。当设计一个原定为定期以平面形状排列的单位单元组合的声学元表面时，不仅必须考虑单位细胞的特征，而且还必须考虑入射声波对元曲面的影响。先前的研究表明，通过适当控制波数空间中多个点附近的分散特征，跨度为平面声波诱导负屈光现象。因此，我们扩展了上一年构建的方法，并提出了一个优化问题，用于控制波数空间中多个点附近的分散特征。当将平面声波施加到具有最佳结构的声学跨面上时，确认了以负折射角传播的声波，并确认了方法的有效性。此外，到目前为止构建的方法仅覆盖声场，忽略了弹性材料中的横向声波。这种近似在由一般弹性材料组成的声学结构耦合系统中无效。因此，为了将方法扩展到声学结构耦合系统，我们构建了一种旨在动态弹性场的拓扑优化方法。当引入了动态弹性方程的高频均质化方法，并在构建与拓扑优化方法的方法结合后进行优化计算时，获得了弹性超材的最佳结构，该结构显示出所需的色散特性。此外，由于将弹性材料的刚度模量设置为零的极限，因此可以很容易地将这种方法扩展到耦合的声学结构。基于这项研究的研究结果，希望扩展到3D声学结构耦合系统，根据获得的最佳结构制备原型，并通过实验验证声学上市的性能。

项目成果

高周波均質化法とトポロジー最適化による異方性音響メタマテリアルの構造創成設計

利用高频均匀化方法和拓扑优化的各向异性声学超材料结构设计

• 发表时间: 2018
• 期刊: 化学工業
• 作者: Miyaguchi Kohei;Matsushima Shin;Yamanishi Kenji;Kohei Miyaguchi;Kohei Miyaguchi;Kohei Miyaguchi;野口悠暉，西脇眞二
• 通讯作者: 野口悠暉，西脇眞二

動弾性方程式を対象とした高周波均質化法に基づく弾性体メタマテリアルの最適設計

基于动态弹性方程高频均质化方法的弹性超材料优化设计

• 发表时间: 2018
• 作者: Noguchi;Y.;Yamada;T.;Izui;K.;Nishiwaki;S.;山田崇恭;野口悠暉，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二;深田和範，野口悠暉，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二;野口悠暉，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二
• 通讯作者: 野口悠暉，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二

高周波均質化法に基づく異方性音響メタマテリアルのトポロジー最適化

基于高频均匀化方法的各向异性声学超材料拓扑优化

• 发表时间: 2018
• 作者: Noguchi;Y.;Yamada;T.;Izui;K.;Nishiwaki;S.;山田崇恭;野口悠暉，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二;深田和範，野口悠暉，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二;野口悠暉，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二;山田崇恭;野口悠暉，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二;野口悠暉，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二
• 通讯作者: 野口悠暉，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二

Optimum design of anisotropic acoustic metamaterials based on high-frequency homogenization method

基于高频均匀化方法的各向异性声学超材料优化设计

• 发表时间: 2018
• 作者: Noguchi;Y.;Yamada;T.;Izui;K.;Nishiwaki;S.
• 通讯作者: S.

高周波均質化法に基づく所望の分散特性を持つ音響メタマテリアルのトポロジー最適化

基于高频均质化方法的具有所需色散特性的声学超材料拓扑优化

• 发表时间: 2018
• 作者: Noguchi;Y.;Yamada;T.;Izui;K.;Nishiwaki;S.;山田崇恭;野口悠暉，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二;深田和範，野口悠暉，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二;野口悠暉，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二;山田崇恭;野口悠暉，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二
• 通讯作者: 野口悠暉，山田崇恭，泉井一浩，西脇眞二