介质损耗对声学超材料性质影响的理论研究

Acoustical metamterial is the artifical composite medium construted by one or several kinds of microstructural unit embedded into the uniform matrix. Compared to the convensional wave medium, the wave behavior of this kind of material need to be described by the nagative effective mass density and/or nagtive elastic modulus. As a result, they have some special wave properties beyond the conventional medium. It has been shown that, wave disipation can affect drastically the property of this kind of materials, a large enough wave dissipation can destroy the phenomenons,such as the supperlens effect and cloaking,etc.. Because of the existing of the microstructure, the wave distribution in the composite is usually inhomogeneous, as a result, the effective wave dissipation of metamaterials, which should be different from its constructing component, relys strongly on the detail of the microstructure unit and the lattice struture. In this project, we will study the general relationship between the wave dissipation and the structures of the unit and the whole lattice. The study includes two aspects. Firstly, we will study how the wave behavior can be influenced by the structure of the unit and the lattice. Secondly, we will study how the dissipation of the medium can change the propagating and coupling of the surface mode, it is known that the property of the metamaterial relys strongly on surface mode, but the wave distribution of those mode is quite different from the one in the body, consequently, the influence of the dissipation on the surface mode will be different.

声学超材料(acoustical metamaterial) 是将一种或几种结构单元按规则排列于基体材料中所构成的复合结构。这种结构在特定频率声波下的行为需要用负的有效质量密度或/和负的弹性模量来描述，因而具有常规材料所不具有的特殊性质。研究表明，介质的损耗作用对这种材料的性质有重要的影响，过大的损耗会使其功能，如超透镜、隐形斗篷等效应，无法实现。由于结构单元的存在所导致的波场分布非均匀性，使超材料中的波损耗必然不同于其构成组元的介质损耗，而与其构成单元的结构及晶格排列存在关系。本项目将研究介质损耗与超材料构成的关系，明确损耗对超材料性质的影响。这一研究包括两主方面: 其一，研究单元结构及晶格排列对超材料有效波损耗的影响，以达到调节超材料性质的目的；其二，基于超材料界面行为对其性质的重要影响，而界面场分布又与内部场分布存在显著差异，我们将研究损耗对界面模式的传播及耦合性质的影响。

声学超材料(acoustical metamaterial) 是将一种或几种结构单元按规则排列于基体材料中所构成的复合结构。其诱人之处在于其声性质可由其构成单元的微结构来调节，精心设计的微结构单元可以使得材料表现出自然材料无法达到的宏观性质。然而，介质的损耗作用对这种材料的性质有重要的影响，过大的损耗会使其功能无法实现。因此，明确损耗如何对超材料的性质构成影响，将为超材料的设计及应用提供理论指导。. 研究过程中，我们发现对超材料机理的深入探讨是明确介质损耗对其性质影响的关键。目前，由于构成共振型超材料的基本单元工作于亚波长区域，研究者们认为这种材料应该满足长波长近似下的等效媒质条件，因此通常引入等效介质参数对超材料结构进行描述，从而引入了负的等效动态质量密度、负的等效弹性常数等概念。这种描述虽然可以给材料的描述带来便利，但在这一框架下，我们无法研究介质损耗对超材料的性质产生影响的物理机制。因此，我们从超材料的基本构成单元的波响应特性出发，对共振型超材料的机理进行了深入的探讨，主要完成了以下三个方面的工作。. a）对共振型超材料带隙机理进行了探讨。得出了共振型超材料中带隙出现须满足的广义布拉格条件，纠正了目前普遍认为的“这种结构的带隙产生与共振单元的晶格排列没有直接关系”的结论，并由此得出了亚波长条件下声局域态的获得条件。为超材料的进一步研究和设计提供了理论指导。. b）从共振型超材料的结构特点出发，对负折射现象的机理进行了探讨。指出了超材料的双负等效参数来源于其结构上的非连续性，波透过其最小结构单元时其相位变化的非连续性是负折射现象的根源。这一结论不仅解释了现有的几种负折射材料的工作原理，而且为研究介质损耗如何对超材料性质产生影响提供了简单的途径。. c）构造了“外接电路/压电材料”共振单元，实现了固体可调弹性超材料。由于“外接电路/压电材料”单元是单极共振单元，这种超材料与常规的局域共振型超材料具有不同的性质。