Active tuning of vibration and noise by the optimal design of acoustic metamaterial structures

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Chuanzeng Zhang
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391998588

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Smarte oder intelligente piezoelektrische Materialien werden häufig in der aktiven Strukturschwingungskontrolle eingesetzt, da sie eine hohe Empfindlichkeit gegenüber äußeren mechanischen Umweltveränderungen und eine starke Fähigkeit zur aktiven Reaktion darauf aufweisen. In diesem Projekt sollten unter Berücksichtigung der Piezoelektrizitätstheorie und der aktiven Kontrolltheorien neuartige Strukturen aus akustischem Metamaterial (AMM) mit aktiven Kontrollfähigkeiten entwickelt werden, die auf den Bandlückenmechanismen der phononischen Kristalle (PCs) oder akustischen Metamaterialien (AMMs) basieren. AMMs sind künstliche periodische oder nicht-periodische Materialien und weisen außergewöhnliche Schwingungs- und Ausbreitungseigenschaften von elastischen Wellen auf, welche viele ganz neue Möglichkeiten zur Reduzierung und Isolierung schädlicher Schwingungen und Lärme eröffnen. Die elektromechanisch gekoppelten dynamischen Gleichungen der AMM-Strukturen mit den piezoelektrischen Sensoren und Aktoren sollten aufgestellt werden. Unumgänglich ist es sehr schwierig, elektromechanisch gekoppelte dynamische Modelle von den integrierten Systemen für die aktiven AMM-Strukturen zu erstellen, da die Mikrostrukturen und die Konfigurationen der AMM-Strukturen sehr kompliziert sind, und da sowohl die Anisotropie als auch die elektromechanischen Koppelungseffekte von den piezoelektrischen Materialien berücksichtigt werden müssen. Das Leistungsvermögen der AMM-Strukturen wird durch die einzelnen Strukturkomponenten und Konfigurationen unter Betrachtung bestimmt. Daher besteht das Hauptproblem des vorliegenden Projekts darin, die neuartigen AMM-Strukturen einschließlich der aktiven Steuerungskapazität und der lokalen Resonanzmechanismen zu konstruieren und zu untersuchen, sowie theoretische Analysen, numerische Simulationen und experimentelle Validierungen durchzuführen, um mögliche neue physikalische Phänomene aufzudecken und manche wichtige Schlussfolgerungen zu ziehen. In diesem Projekt wurden drei verschiedene Abstimmungsmethoden entwickelt, nämlich passive Methoden, aktive Methoden und Hybridmethoden, welche sowohl die passiven als auch die aktiven Methoden kombinieren, um die Schwingungs- und Ausbreitungseigenschaften von elastischen Wellen in den AMM-Strukturen zu steuern. Die entsprechenden in diesem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, dass die unerwünschte Schwingung oder Ausbreitung von elastischen Wellen durch die Ausnutzung der AMM-Konzepte und der aktiven Steuerungstheorien erheblich unter- drückt oder isoliert werden kann, die ein breites Spektrum von neuartigen und vielversprechenden technischen Anwendungen bieten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Active localization of wave propagation in elastic beams using periodic placement of piezoelectric actuator/sensor pairs. Journal of Applied Physics, 124(8).
  Li, Fengming & Zhang, Chuanzeng
  
• Band-gap property of a novel elastic metamaterial beam with X-shaped local resonators. Mechanical Systems and Signal Processing, 134, 106357.
  Wu, Zhijing; Liu, Wenyu; Li, Fengming & Zhang, Chuanzeng
  
• Bandgap enhancement of periodic nonuniform metamaterial beams with inertial amplification mechanisms. Journal of Vibration and Control, 26(15-16), 1309-1318.
  Muhammad, Shoaib; Wang, Shuai; Li, Fengming & Zhang, Chuanzeng
  
• Enhanced band-gap properties of an acoustic metamaterial beam with periodically variable cross-sections. International Journal of Mechanical Sciences, 166, 105229.
  Wen, Shurui; Xiong, Yuanhao; Hao, Shuaimin; Li, Fengming & Zhang, Chuanzeng
  
• Improvement of the band-gap characteristics of active composite laminate metamaterial plates. Composite Structures, 254, 112831.
  Ren, Tao; Li, Fengming; Chen, Yanong; Liu, Chunchuan & Zhang, Chuanzeng
  
• Vibration isolation by novel meta-design of pyramid-core lattice sandwich structures. Journal of Sound and Vibration, 480, 115377.
  Li, Zheng-Yang; Ma, Tian-Xue; Wang, Yan-Zheng; Li, Feng-Ming & Zhang, Chuanzeng
  
• Band-gap characteristics of elastic metamaterial plate with axial rod core by the finite element and spectral element hybrid method. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 29(17), 2405-2422.
  Linzhongyang, E.; Wu, Zhijing; Zou, Guangping; Li, Fengming; Zhang, Chuanzeng; Sun, Aijun & Du, Qiang
  
• A self-sensing and self-actuating metamaterial sandwich structure for the low-frequency vibration mitigation and isolation. Composite Structures, 297, 115894.
  Li, Zheng-Yang; Wang, Yan-Zheng; Ma, Tian-Xue; Zheng, Yong-Feng; Zhang, Chuanzeng & Li, Feng-Ming
  
• Active auto-adaptive metamaterial plates for flexural wave control. International Journal of Solids and Structures, 254-255, 111865.
  Li, Zheng-Yang; Ma, Tian-Xue; Wang, Yan-Zheng; Chai, Yu-Yang; Zhang, Chuanzeng & Li, Feng-Ming
  
• Vibration mitigation and isolation of the lattice sandwich structures based on the metamaterial concepts. Shaker Verlag, 2022, ISBN: 978-3-8440-8673-7.
  ZY Li
  
• A simple active adaptive control method for mitigating and isolating mechanical vibrations of the pyramid-core lattice sandwich structures. Journal of Sound and Vibration, 577, 118321.
  Li, Zheng-Yang; Xie, Long-Tao; Ma, Tian-Xue; Wang, Yan-Zheng; Chai, Yu-Yang; Zhang, Chuanzeng & Li, Feng-Ming