基于分形曲线近零密度声学超材料的声波调控研究

结合空间卷曲理念和分形自相似原理,提出了一种具有“之”字型特征的空间卷曲型声学超材料,利用等效参数法提取了该分形声学超材料结构单元的等效质量密度,结果表明,在特定的频率范围内该分形结构单元具有近零密度特性。有限元法分析结果表明,利用该近零密度分形结构单元进行特定的周期性排列后组成的声学超材料,可以在特定频率范围内实现高效调控声波的目的,例如实现声隐身、声隧穿、弯曲狭缝传输和波前整形,同时分析了这些声特殊现象的出现与近零密度声学超材料透射系数峰值频率的对应关系。最后进行了试验验证,利用3D打印技术加工制得1阶、2阶近零密度声学超材料单元样品,并测试其透射系数,通过对比可知,实测结果和有限元分析结果符合良好,证明了结果的准确性和所设计结构的有效性。

基于Peano分形的亚波长尺度声学超材料

基于Peano分形曲线设计了亚波长尺度的二维分形结构,该结构在特定频率范围内具有负质量密度和负体积模量,利用S参数法和传递矩阵的方法计算出等效质量密度和等效体积模量。基于有限元方法研究了分形结构在特定频率范围内声波的调控特性如近零密度传输、声隐身、声隧穿和波前整形等,分析了这些声特性与分形结构透射系数峰值频率的对应关系。基于3D打印技术制作了分形结构样品,实测的透射系数与计算分析结果有很好的一致性,说明了分析方法的有效性。结果表明,设计出的超材料有着特殊的声学参数,在[0,1 600]Hz内有多条带隙,可以用于低频下的滤波和声调控。