20世纪是一个被认为是属于电子的时代,在共振条件下,无论是自然界还是人造器件都表现出了极端的物理特性。电视、计算机、电子通讯及互联网这些现代文明的成果都归功于各种谐振元件的兴起。然而传统的谐振元件及谐振机制已经无法满足光学、声学、电子等高科技创新领域不断增长的需求,因此要想推动社会和经济进一步发展,加速科技进步与创新,急需创造出一种具有超常独特共振特性的全新结构。在20世纪与21世纪的转折点上,一种具有全新共振特性的新型人造结构被创造出来—局域共振超材料,该材料是一种人工周期性复合材料,展现出了自然界中一些不存在的独特特性,例如负质量密度和负体积模量。基于这种新型局域共振机制,许多包含不同类型共振单元的声学超材料被设计制造出来,以在亚波长范围内实现更宽的带隙特性,在低频声/结构振动衰减、隐身、波导等应用领域具有广阔远景。本文从负等效质量密度和负等效弯曲刚度特性入手,对基于碳纤维基体板的主被动声学超材料结构的多功能弹性波调控性能进行了系统而深入的研究。本文在机械局域共振结构设计、阻尼应用、可调谐带隙结构设计、混合局域共振结构设计、关键参数匹配、多物理耦合场建模分析以及超材料层压板结构在汽车减振降噪中的应用等方面展开研究,其主要研究内容和创新性工作成果如下:1、提出了一种全新设计概念的低频宽阻带波衰减特性的工程结构板,完善了各项异性局域共振超材料结构的带隙计算方法,归功于层压板材料的轻质高强特性,声学超材料层压板能够比常规超材料板具有更宽的带隙。同时针对机械超材料带隙带宽窄的缺陷,提出了基于多激振子的声学超材料层压板（MSLAM）,基于复合层压板基本理论、Kirchhoff薄板假设、Hamilton原理及声固耦合场理论,建立了结构的有限元分析模型。通过离散分析得到了被动声学超材料层压板的色散关系图及带隙特性,并通过有限元频响分析对结果进行了验证,在局域共振频率附近确定了其多阻带行为。此外,我们还讨论了谐振器的阻尼效应,通过添加适当阻尼,可以将两个阻带组合成一个更宽的阻带。最后在声固耦合系统中,对MSLAM进行数值算例分析,进一步地验证了阻带特性。同时将多阻带声学超材料层压板的优异性能应用于车身前隔板设计中,大大降低了车厢腔内的噪音。2、通过四类压电本构方程,阐述了压电材料的电学及力学特性,建立了压电分流阻尼模型,阐述了压电分流阻尼系统控制原理,分析了不同谐振分流电路的分流效果及对压电片等效模量的影响,研究了谐振分流电路和负电容分流电路中负等效弹性模量的频率区间范围及关键影响因素。最后引入系统阻尼因子,分析了负电容压电分流系统的阻尼特性。3、针对传统机械局域共振超材料带隙不可调的缺陷,提出了一种基于压电耦合的主动声学超材料层压板（ALAM）,极大地提高了设计的自由度和适用性。首先提出了一种多场综合分析模型,在考虑了波场变换、机电耦合和分流电路效应的基础上,分析得出了ALAM任意方向的衰减常数及等效特性参数,揭示了ALAM基于等效弯曲刚度的可调谐波衰减能力。带隙的有效性通过有限元分析软件COMSOL中的波传输特性分析得到了证实。研究发现,在不显著增加超材料结构自身重量的同时,ALAM可以产生相对宽带的低频带隙。数值结果表明,带隙的位置不仅取决于压电分流电路参数,而且还取决于层压板结构参数。另外,可以通过改变层压板和压电贴片的厚度以及电阻和电感来主动调节带宽和波衰减幅度。此外,通过将负电容分流电路引入压电片中,可以显著增大带宽。4、通过结合机械局域共振机制和机电局域共振机制,提出了一种混合压电声学超材料层压板结构（HPLAM）,HPLAM同时具有与频率相关的负动态等效质量密度和负动态等效弯曲刚度。首先提出了一种多物理场耦合分析模型,以研究和揭示基于负质量密度效应和负弯曲刚度效应的HPLAM的可调谐波调控能力,通过调节分流电路参数,可以实现HPLAM的波衰减特性在“增强”和“消除”状态之间进行切换。通过三维模型的数值模拟,对HPLAM的波传输特性及波导特性进行了研究分析,结果表明两个带隙可以组合成一个更大的单个带隙以增加带宽,或者两个带隙可以单独放置,增加灵活性以实现定制频率响应。最后验证了该结构可以实现可编程波导功能。