多层穿孔板之间耦合共振所致的若干重要声学现象

Researchers have a growing interest in such problems as negative refraction, subwavelength imaging and extraordinary acoustic transmission that are more or less relevant to longitudinal resonances or local resonances in acoustic systems. However, experimental observations and practical applications of these acoustic phenomena are somewhat limited by the scales of acoustical structures and inherent damping effects. To overcome the limitations, we in this project propose a novel mechanism, i.e., the coupled resonances between perforated plates. The acoustic coupling in the considered composite structure is implemented with an array of isolated cavities between plates, which, together with the corresponding pores perforated in the opposite plates, form subsystems with resonances different either from the longitudinal resonance or the standard Helmholtz one. Our initial study shows that such a resonance can give rise to unusual acoustic phenomena which may be used, for instance, for (1) full-angle wide band sound insulation; (2) wide band subwavelength imaging without reducing the resolution; and (3) a new methodology of sound focusing. This project will develop the theory of the coupled resonance and explore characteristics of the resonance. Attentions are also paid on the applications of the theory in sound insulation, subwavelength imaging and focusing.

近年来学者们对诸如负折射、亚波长成像、超常传输等声学问题产生了浓厚的兴趣。其实，这些现象所涉及的内在声学机制多与长度（纵向）共振或局域共振存在紧密的联系。实际观察这些声学现象或在实际应用时，受到声学系统结构尺度以及内在阻尼效应的制约。针对这些局限性，本项目提出了一种新的共振机制- - 多层穿孔板的耦合共振；在这种复合结构中，板层间对应孔的声耦合是通过互相隔离的腔体实现的，所涉及的共振既不同于长度（纵向）共振，又有别于标准的Helmholtz共鸣器局域共振。初步研究发现，这种方式的耦合共振会导致非同寻常的声学现象，可实现诸如：（1）低频宽带全角度隔声，（2）在不降低分辨率的前提之下，宽带亚波长成像，（3）声聚焦，等重要声学技术。本项目拟研究此种耦合共振的理论及特性，并应用于低频宽带全角度隔声、宽带亚波长成像以及声聚焦等重要声学工程技术问题。

声超构材料因可以实现自然界原本不存在的物理现象引发了研究者的浓厚兴趣。本项目主要通过对局域单元进行控制，实现了角度无关的声学透明现象以及基于Hemholtz共鸣器的声学超透镜。. 对于角度无关的声学透明现象，主要通过格林函数理论并结合声传输线概念，设计一种新型的声学结构用于实现角度无关的声学透明现象，每个声学单元包括一个Helmholtz 共鸣器和一个1/4波长共鸣器，以及一个亚波长的窄缝。从理论、实验以及仿真这三方面对其性能进行研究，实现了声学的无指向共振传输，即在某一声学频段，实现0度~90度声波完全透射。前人的研究采用半波长共振，当声波的波长与晶格常数相当时，透射表现为明显的角度依赖性；当声波波长远大于晶格常数时，透射虽然表现为无指向性传输，但是其实现的结构就非常的厚。在这里我们采用局部调控阻抗的方法，一方面避免了衰减波的干扰，另一方面通过局域共振引起声辐射波的干涉来实现声的全透射。. 声学超透镜提供了一种克服亚波长成像极限的方法，但是其可工作的频段宽度较窄。我们提出了一种基于Helmholtz共鸣器的超构材料来拓宽超分辨的带宽，并通过实验来证实双缝亚波长成像的效果。结果表明，超分辨可以在570~650Hz实现。区别于基于FP共振机制的亚波长成像，这里形成亚波长成像的机制是Fano 共振，由于相邻共鸣器之间的强烈耦合导致声传输在相对较宽的频率范围内得到了增强。