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

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．

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．