可调谐的负等效质量密度声学超构材料实验研究

结构简单和宽频响应是负等效质量密度声学超构材料(Acoustic metamaterial,AM)的重要研究目标.本文基于局域共振理论设计了一种结构简单的空心管实验模型,利用声学传输线理论证明其谐振频率与空心管内径密切相关.实验测试的3种不同内径空心管AM的透射曲线分别在1550 Hz,1400 Hz和1300 Hz处出现透射低谷并伴随相位扭折,表明空心管AM在对应的频率附近发生谐振,且符合随内径增大谐振频率降低的理论结果.利用提取参数法实现了3种AM分别在1143~1662 Hz,998~1492 Hz和845~1352 Hz时的负等效质量密度.通过模拟声场分布阐述了空心管AM负等效质量密度形成的物理机制.空心管结构的提出为设计结构简单、宽频响应负等效质量密度的AM提供了一种可行的模型.

声学超材料研究进展

声学超材料是人工制造的一种复合结构。由于它结构尺寸单元远小于声波波长,具有很多自然材料所不具备的特殊性质,极大地扩展了声学材料的内涵及其应用领域。文章介绍了近年来声学超材料的主要研究进展,包括负等效声学参数(负等效质量密度及负等效模量)超材料及隐身超材料的实现方法及思路,并对声学超材料的研究做了总结和展望。

声学超材料与结构工程应用前景展望

从认识声学超材料开始作介绍。首先对左手材料(负折射率材料)的基本原理、基础知识和如何制备等方面来展开阐述,进而对声学超材料工程应用与前景作展望,并对声学超材料为声成像和对亚波段声音的控制可能的新应用作介绍。还适当介绍损耗补偿(loss-compensating)材料、宇称时间对称(parity-time-symmetric)材料的发展。受人工耳蜗独立滤波机理的启发,介绍用声学超材料设计仿生的复合扬声器听音系统来对分散的频率进行调制,结合声学超材料和感知压缩的功能,介绍了一种单传感复合扬声器听音系统,这是一种能够选择性提取声音和具有声音分离能力的系统。不同于以往的信号和语音处理系统可用来解决"鸡尾酒舞会"中的听音等问题。可以预料声学超材料在建筑声学、水声、声信号记录等诸多领域将会不断涌现新产品和用新概念、新特征支撑并具挑战性的应用。然而作为前景展望,更新的挑战依然存在,包括发展制作大尺度超材料的,以及把由实验室试验转变为实用的生产力的技术发展。

基于空心钢管结构的声学超材料

提出了一种基于空心钢管(hollow steel tube,HST)的"超原子"结构模型,声学透射实验和数值计算结果表明基于该模型的声学超材料可以实现负等效质量密度。为了说明空心钢管结构性质,研究了空心钢管微结构几何尺寸(例如空心钢管直径)变化时材料的透射性质,结果表明空心钢管几何尺寸的改变对声学超材料的透射禁带频率有影响。