十一月 15, 2015

声波超材料及波动控制

声波超材料及波动控制

基于手性薄板弹性波超材料负折射


当弹性波超材料同时具有负等效质量和弹性模量时,该材料对弹性波将产生负折射现象。我们通过薄板材料内的胞元设计,利用胞元内质量旋转谐振产生负 等效模量,质量平动谐振产生负等效质量,成功设计出了亚波长弹性波双负超材 料,并通过实验验证了其负折射现象。 图 11(a) 给出了制备的薄板弹性波超材 料样品,图 11(b) 给出了负折射测试实验结果(左图)和有限元预测的比较。

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R Zhu, XN Liu, GK Hu, CT Sun, GL Huang, Negative refraction of elastic waves at deep-subwave length scale in a single-phase metamaterial, Nature Communication, 5, 5510, 2014.

薄板型声波超材料动态等效特性研究


薄板结构由于其轻质及承载功能在工程中有广泛的应用。通过在薄板上引入微结构谐振,可以有效的改善部分频段的隔声、隔振效果。基于如图 12a 所示的 理论模型,我们解析计算了带有周期谐振单元多层薄板结构的声波响应,并使用 修正的传递矩阵方法计算了该结构的等效参数。针对单层薄板结构,得到了声波 正入射时等效密度和等效模量的解析表达式。通过参数分析发现,对于不同振子 间距的薄板超材料,所产生的负等效质量可以用 Lorentz 模型或 Drude 模型来描 述。在负等效质量区域,等效参数不随结构层数的改变而发生变化。声波斜入射 时,当声波波长远大于胞元周期常数时,等效参数不随入射角而改变,反之,等 效参数会同时随声波频率和入射角而发生改变,使得等效密度具有空间频散效应 (图 12b)。

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P Li, SS Yao, XM Zhou, GL Huang and GK Hu, Effective medium theory of thin-plate acoustic metamaterials, J. Acoust. Soc. Am., 135, 1686, 2014

薄板声波超材料用于封闭空腔结构声辐射抑制的研究


自由空间中,声波超材料在负质量频段内能有效阻隔声波的传播。对于有封闭空腔的结构,超材料对声辐射是否存在抑制作用,缺乏相关探索。为此我们研 究了由薄板超材料组成的圆形封闭空腔结构对内置声源的声辐射抑制效果(图 13)。研究发现,声源位于中心时,单极、偶极和四级声源只能激发出对应的空 腔共振模态,并在负质量频带可以造成较强的声辐射,当超材料的厚度增加时, 声辐射抑制效果明显增强,并最终可以在整个负质量频段内实现有效的声衰减 (图 14a)。当声源偏心放置时,无论何种极次的声源,均激发出相似频率的声辐 射共振模态,从而在负质量频段内出现多个强辐射频率,与声源中心放置情况类 似,通过增加超材料的厚度可以有效提高声辐射抑制效果(图 14b)。

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SS Yao, P Li, XM Zhou and GK Hu, Sound reduction by metamaterial-based acoustic enclosure, AIP Advances, 4, 124306, 2014

一种亚波长薄膜结构与声波相互作用的解析模型


在张紧的薄膜上粘贴细小的金属片(图 15),实验测试结果表明该类结构具有良好的低频隔声和吸声功能。基于点匹配方法刻画金属片对薄膜变形的影响, 我们建立了精确计算该类结构声波响应的理论模型(图 16),经验证与有限元结 果完全一致,从而可以用于系统研究金属片的重量、形状、尺寸、数量和位置等 参数对声波反射和吸收的影响规律。在该解析模型中,张紧薄膜由含预应力的薄 膜方程刻画,相应结构主要用于低频隔声设计;对于吸声特性分析,我们采用薄 板方程来刻画薄膜面内应变耗能产生的吸声机制。值得一提的是,通过解析模型 可以给出薄膜结构的声吸收系数存在 50%的理论极限,该极限与任何微结构参数 和薄膜本身的损耗因子均无关(图 17),纠正了相关实验结果的部分不正确结论。

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YY Chen, XM Zhou, GK Hu and GL Huang, Analytical coupled vibroacoustic modeling of membrane-type acoustic metamaterials: membrane model, J. Acoust. Soc. Am., 136, 969, 2014
YY Chen, GL Huang, XM Zhou, GK Hu and CT Sun, Analytical coupled vibroacoustic modeling of membrane-type acoustic metamaterials: plate model, J. Acoust. Soc. Am., 136, 2926, 2014

低频超薄吸声结构设计


利用声波在腔体结构中的传播距离满足 1/4 波长条件,可以实现声波的高效吸收,但对于低频声波需要很厚的材料才能实现吸收效果。为了减小吸声材料的 厚度,我们将原本平直的声腔卷曲成螺旋型,利用 3D 打印技术进行了样品制备 (图 18a),通过数值仿真和实验测试发现,在满足 1/4 波长条件的频率附近可以 实现高效的声波吸收(图 18b),此时改进结构的厚度仅为波长的 1/50。进一步设 计了 Helmholtz 共振腔结构(图 18c),实验和仿真结果表明此结构能够在更低的 频率实现声波的有效吸收(图 18d),此时结构厚度仅为波长的 1/102。

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XB Cai, QQ Guo, GK Hu and J Yang, Ultrathin low-frequency sound absorbing panels based on coplanar spiral tubes or coplanar Helmholtz resonators, Applied Physics Letters, 105, 121901, 2014.

手性点阵材料宽频振动抑制研究


手性点阵材料具有结构轻和高频禁带的特点,但对于低频振动缺难以抑制。通过将谐振单元引入手性点阵材料,对谐振单元的谐振频率进行调节可以实现对 手性点阵结构的低频振动进行抑制(图 19)。另外理论和实验分析表明,可以通 过引入不同谐振频率的谐振单元,来扩宽对振动抑制的有效频带(图 19)。

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R. Zhu, XN Liu, GK Hu, CT Sun and GL Huang, A chiral elastic metamaterial beam for broadband vibration suppression, Journal of Sound and Vibration, 333:2759 , 2014.

各向异性手性点阵材料均质化


采用张量不可约正交分解方法,导出了二维微极弹性张量一般形式。此一般形式能描述手性特征以及各种对称性,如六角对称性、四边形对称性(图 20)。 根据导出的微极弹性张量形式,对刚性圆环梁连接成的手性点阵结构进行均质化, 解析求得了几何参数相关的宏观等效弹性常数。研究了弹性常数随几何参数的变 化,以及此各向异性结构传播特点。

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Y Chen, XN Liu, GK Hu, QP Sun, QS Zheng, Micropolar continuum modelling of bi-dimensional tetrachiral lattices, Proceedings of the Royal Society A, 470(2165), 20130734, 2014.

提出弹性波复空间变换控制方法并设计可实现的弹性波吸波边界层


弹性波吸波边界无论在计算和实验上都有重要的意义,主要用于消除边界反 射利用有限空间模拟无限空间问题,另外弹性波测量实验也需要消除来自边界波 的反射。而目前弹性波吸波边界层都只是数学意义上的,主要用于数值计算。通 过弹性波变换方法,将其扩展到复数空间,通过对材料常数虚部的控制可以实现对弹性波传播耗散的控制。进一步设计出可以实现的弹性波吸波边界层(图 21)。

基于共振隧穿效应声波超分辨成像的实验研究


基于共振隧穿的多孔结构超分辨透镜如图所示。透镜由钻有周期圆柱孔的铝板构成,并且孔径沿孔轴线方向呈周期变化。考虑铝板与空气存在巨大的阻抗失 配,透镜在平行于界面方向的质量可以认为是无穷大,沿孔轴线方向波的传播可 以满足共振隧穿效应导致的完全传输条件。由于所设计超材料透镜的微结构为亚 波长尺度,克服了目前超分辨透镜材料尺寸大等问题。利用声场测试系统,测试 了在共振隧穿频率(声波波长约为 38cm)处对放于透镜表面两个声源(相距 11cm) 成像的实验测试结果(图 19b),从图中可以看出声源的间距虽处于亚波长量级, 仍可以被清晰地分辨出来,证明所设计透镜具有突破衍射极限成像功能。

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Z. Chang, DK Guo, XQ Feng and GK Hu, A facile method to realize perfectly matched layers for elastic waves, Wave Motion, 11,1170, 2014

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HJ Su, XM Zhou, XC Xu and GK Hu, Experimental study on acoustic subwavelength imaging of holey-structuredmetamaterials by resonant tunneling, J. Acoust. Soc. Am., 135, 1686, 2014.