体弹性模量和质量密度双负声学超材料及其行为研究

等同于电磁波中介电常数和磁导率同时为负的超材料，体弹性模量和质量密度双负声学超材料是声学研究领域的重要问题。本课题基于局域共振结构实现体弹性模量和质量密度双负声学超材料效应开展研究工作。建立声学超材料空心纤维负质量密度和填充软材料开口空心球可调控宽频负弹性模量结构单元物理模型和计算方法；系统研究质量密度、体弹性模量同时为负声学超材料耦合行为，发展简单、低廉制备质量密度、体弹性模量同时为负固体基体声学超材料设计制备技术；通过单元几何参数和填充软材料调节声学响应过程中的各种参数，研制可听声波段400Hz-6000Hz固体基体可调控双负声学超材料；实验验证双负声学超材料奇异响应行为，进而更深刻理解声学超材料的物理本质。研究双负声学超材料的完全吸收、隐声装置等新一代器件设计基础，探索体弹性模量和质量密度双负声学超材料的广阔应用前景。

超材料是一种人工设计的材料，具有自然界材料所不具备的性质。在声学领域，声学超材料可以实现对声波行为的奇异调控。本课题基于局域共振结构实现体弹性模量和质量密度双负声学超材料效应开展研究工作。首先提出了两种人工超原子，开口空心球（SHS）和空心管（HT）结构，分别在空气中实现负弹性模量和负质量密度的单负声学超材料；将这两种单元组合，可以实现双负声学超材料。进一步将两种超原子耦合成一个“类笛子”超分子结构——开口空心管（PHT），该超分子结构的声学超材料在可听声频段和超声频段都具备双负性质，实现了平板聚焦和负折射效应。基于超原子和超分子的弱相互作用机理，提出超构团簇声学超材料模型，制备的这种超材料具有全向宽频带的同时负质量密度和负弹性模量。另外，将空心管超原子和类笛子超分子结构应用于制备水声超材料，在水环境下超声频段分别实现负质量密度和双负行为。理论的和实验表明我们提出的超原子、超分子、超构团簇的超材料模型易于实现全向宽频带的双负声学超材料奇异响应现象，为声学超材料提供了的广阔应用前景。本项目已经在国内外发表科学论文45篇，其中SCI收录41篇。培养博士研究生6人，硕士研究生10人，毕业博士3人，硕士7人。