可调谐的负弹性模量声学超材料及其性能研究

Similar to electromagnetic metamaterials, tunable problem of single negative metamaterials is the important issues in the acoustics field. Because of their special response to acoustic waves and a narrow local resonance, this project focus on the tuning technology of negative modulus metamaterials based on local resonance. By synthesizing experimental data, numerical simulation results and the homogeneous media theory, the project probe deeply into the relation between frequency and various parameter and type of split hollow sphere, the interaction of the split holes and the composite medium of the cavity in the acoustic metamaterials based on the split hollow sphere. Furthermore, a regulated resonance formula in the L-C circuit and various quantitative tunable methods are present, and then the tunable mechanism is illuminated. An acoustic metamaterial with a given frequency, a wide frequency range, or multi-band frequency is proposed, which makes it is easy and feasible to couple with negative density metamaterial. It provides a basis for designing a double negative acoustic metamaterial in a wide frequency range. In addition, by introducing noble metal nanoparticles colloidal with the optic absorption property into composite medium, the type of metamaterial will achieve the double absorption characteristics of optical and acoustic simultaneously, and it gives a new concept in designing the multifunctional metamaterials.

类似于电磁超材料，可调谐的单负超材料是声学研究领域的重要问题。针对局域共振型声学超材料中不同微结构单元对声波的响应频段不同和响应频带较窄的缺点，本课题开展关于调控谐振特性的负弹性模量超材料的研究工作。它的主要思想是利用开孔空心球作为声学超材料的结构单元，采用实验结果、有限元分析和均匀媒质理论相结合的方式，系统研究开孔空心球的参数、孔洞间的相互作用力以及复合介质与共振频率的关系；完善传输线理论中的共振频率公式，以掌握多种定量调控共振频率的方法；探索负弹性模量超材料的调谐机制，以制备出特定频段的、宽频带的以及多频率的声学超材料，为下一步与负质量密度的结构单元相耦合在实验上制备任意频段的双负声学超材料打下基础和提供指导。另外，创始性地将有光学吸收特性的贵金属纳米颗粒的胶体引入到调谐介质中，同时实现该超材料的光学和声学双吸收特性，为声学超材料的多功能化提供一种全新的理念。

针对局域共振型声学超材料中不同微结构单元对声波的响应频段不同的问题，本项目以局域共振思想的开孔空心球为基础，采用有限元仿真、均匀媒质理论和实验方法相结合的方式，提出了开孔空心球的参数和复合介质含量与共振频率的关系，完善了传输线理论中的共振频率公式，给出了负弹性模量超材料的调谐机理；本项目采用多个不同结构参数的开孔空心球和嵌套式的多层开孔空心球结构单元，实现在多个频段发生共振。本项目提供了多种调控该类负弹性模量声学超材料共振频率的手段，已掌握在不同频段、多频带产生共振对应的结构参数和结构类型的关键技术，这为今后进一步研究任意频段的双负声学超材料提供了必不可少的基础性工作。另外，基于该声学超材料在实验上无法实现光学和声学双吸收特性研究和添加复合介质精度差等问题，本项目拓展了研究内容，设计了声学性能测试系统，目前已初步完成了系统的搭建工作，并且研究了超疏水表面的超疏水特性。