一种用于大应变条件下钢材拉伸性能识别的模型

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：A tensile properties identification model for steels in large strain

柔性可切换水下声学超表面基于相变材料，通过EC在固态和液态间的超冷却效应实现声波隔离与传输的主动调控，频率覆盖50-120kHz，适应±60°宽入射角，结构可弯曲变形，验证了机械耦合增强固态EC黏滞损耗的机制。

　　本研究聚焦于水下声波的操控技术，这一技术在水声设备设计、海洋地质测绘以及海底资源勘探等领域具有重要的应用价值。随着对水下环境研究的深入，传统声学材料在实现声波调控方面存在一定的局限性，尤其是在适应动态变化的水下条件时表现不佳。因此，开发一种具有灵活变形能力和主动可切换特性的水下声学超材料（Metasurface）成为当前研究的热点之一。本文提出了一种基于相变材料（Phase-Change Materials, PCMs）特性的新型水下声学超材料，其通过在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质中嵌入周期性通道并填充相变材料乙二醇碳酸酯（Ethylene Carbonate, EC），实现了对水下超声波的高效调控。这种设计不仅能够实现宽带频率范围内的声波传输与隔离的可切换功能，还能够在较大的入射角度（±60°）下保持良好的性能，同时具备机械柔韧性，使其能够适应复杂的水下结构需求。

相变材料因其独特的物理特性，在多种应用场景中展现出了巨大的潜力。这些材料能够在相同的温度范围内以固态或液态形式存在，这种相变过程具有高度的可逆性，使得其在声学调控中具备独特的优势。相较于传统的被动式超材料，相变材料的引入为实现主动可切换的水下声学功能提供了新的思路。在本文的研究中，EC被选作相变材料，其在低温下可保持液态，并在升温过程中转变为固态，这一特性为水下声学调控提供了稳定的物理基础。此外，EC与PDMS之间的不混溶性确保了其在结构中的长期稳定性，避免了由于材料混合而导致的性能下降。

PDMS基质的选择具有多重考量。首先，PDMS具有良好的化学稳定性，能够在水下环境中保持结构完整性。其次，其光学透明性使得声波在通过时不会受到显著的散射或吸收，从而提高了声学传输的效率。更重要的是，PDMS与水的声阻抗匹配良好，能够有效减少声波在不同介质之间的反射损失，提高整体的声学性能。这些特性使得PDMS成为一种理想的基质材料，能够与相变材料EC形成协同作用，从而实现对水下声波的高效调控。

在设计过程中，研究团队首先对单胞结构（Unit-cell）进行了几何优化，以最大化液态与固态EC之间的声波传输对比度，从而确定了实现声学调控所需的最小EC体积分数。在此基础上，进一步设计了超胞结构（Supercell），通过周期性排列异质单胞结构，引入了胞间耦合效应，这一效应显著增强了固态EC中多孔结构的粘滞损耗，从而提升了声学吸收能力。通过实验与模拟的结合，研究团队验证了这种设计的有效性，表明其在宽频带范围内（50 kHz至120 kHz）和大入射角度下（±60°）均能够实现稳定的声学调控。

此外，该水下声学超材料的柔性基质使其能够适应各种复杂的水下结构需求，例如可以被弯曲或闭合，从而实现水下窗口等应用场景。这种设计不仅保持了良好的声学性能，还能够实现结构的可变形性，为水下设备的灵活部署提供了新的可能性。实验结果显示，EC能够在-10°C至36°C的温度范围内稳定存在，这一范围完全覆盖了海水的自然温度范围（-2°C至30°C），确保了该水下声学超材料在真实水下环境中的可靠运行。

在实现声学调控的过程中，研究团队采用了多种方法进行验证。首先，通过理论模型分析了声波在PDMS层中的传播特性，为后续的实验和模拟提供了基础支持。随后，基于参数估计的方法，量化了不同超材料结构中固态EC的损耗模量，从而揭示了其在固态下的声学隔离机制。同时，通过实验与模拟的结合，进一步验证了超胞结构在宽频带和大入射角度下的调控性能，表明其在实际应用中具有较高的可行性。

本文的研究成果不仅为水下声学调控提供了一种新的设计思路，还为开发紧凑、可重构的水下噪声控制系统和自适应声学波导提供了理论支持。这种基于相变材料的水下声学超材料在未来的水下设备设计中具有广阔的应用前景，尤其是在需要动态调整声学性能的场景中，如水下通信、探测和环境监测等领域。此外，该设计的灵活性和可变形性也为构建复杂的水下结构提供了可能，使得水下设备能够更好地适应实际工作环境。

从研究方法的角度来看，本文采用了系统化的实验与模拟相结合的方式，对水下声学超材料的性能进行了全面评估。首先，对单胞结构进行了几何优化，以确保在液态与固态EC之间能够实现最大的声波传输对比度。随后，基于这一优化结果，进一步设计了超胞结构，通过引入胞间耦合效应，增强了固态EC中的粘滞损耗，从而提升了声学吸收能力。这一设计思路不仅提高了超材料的性能，还为实现更高效的声学调控提供了理论依据。

在实验方面，研究团队通过一系列测试验证了水下声学超材料的性能。首先，测试了EC在不同温度下的相变特性，确认其能够在水下环境中保持稳定的液态或固态。其次，测试了不同结构参数下的声波传输与隔离性能，验证了超胞结构在宽频带和大入射角度下的有效性。同时，测试了超材料在不同变形条件下的声学性能，确认其在弯曲或闭合状态下仍能够保持良好的调控能力。这些实验结果不仅为理论分析提供了支持，还为实际应用提供了依据。

在模拟方面，研究团队采用多种计算方法对水下声学超材料的性能进行了模拟分析。首先，模拟了声波在PDMS层中的传播特性，为实验结果提供了理论支持。其次，模拟了不同结构参数下的声波传输与隔离性能，验证了超胞结构在宽频带和大入射角度下的有效性。同时，模拟了不同变形条件下的声学性能，确认了超材料在弯曲或闭合状态下仍能够保持良好的调控能力。这些模拟结果不仅为实验提供了指导，还为未来的设计优化提供了方向。

本文的研究成果表明，基于相变材料的水下声学超材料在实现高效声学调控方面具有显著优势。其设计不仅考虑了材料的物理特性，还结合了结构优化和实验验证，确保了在实际应用中的可靠性。此外，该设计的灵活性和可变形性为构建复杂的水下结构提供了可能，使得水下设备能够更好地适应实际工作环境。未来，该技术有望在水下通信、探测和环境监测等领域得到广泛应用，为实现更高效的水下声学调控提供新的解决方案。

从应用角度来看，水下声学超材料的开发为水下设备的设计提供了新的思路。传统水下设备往往依赖于固定的结构设计，难以适应动态变化的水下环境。而本文提出的水下声学超材料则通过相变材料的特性，实现了对声波传输与隔离的主动调控，使得设备能够在不同条件下灵活调整其声学性能。这种设计不仅提高了设备的适应性，还为实现更高效的水下声学功能提供了可能。

此外，该水下声学超材料的柔性基质使其能够适应复杂的水下结构需求，例如可以被弯曲或闭合，从而实现水下窗口等应用场景。这种设计不仅保持了良好的声学性能，还能够实现结构的可变形性，为构建复杂的水下设备提供了可能。未来，该技术有望在水下通信、探测和环境监测等领域得到广泛应用，为实现更高效的水下声学调控提供新的解决方案。

综上所述，本文的研究成果为水下声学调控提供了一种全新的设计方法，其通过相变材料的特性实现了对声波传输与隔离的主动调控，同时保持了结构的灵活性和可变形性。这种设计不仅提高了设备的适应性，还为实现更高效的水下声学功能提供了可能。未来，该技术有望在水下通信、探测和环境监测等领域得到广泛应用，为实现更高效的水下声学调控提供新的解决方案。