并获得与自然材料声学特性迥然不同的声学超构

2020-01-12 02:50栏目:凤凰彩票官方下载-技术
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我校近代声学重点实验室刘晓峻教授课题组在声学人工超构介质对声场的调控方面取得重要进展,相关研究成果以《基于人工Mie共振的超稀疏声学超表面及低频声波强反射》(Ultra-sparse metasurface for high reflectionof low-frequency sound based on artificialMie resonances)为题于2015年9月1日在线发表在国际权威学术杂志《自然·材料》(Nature Materials,, DOI:10.1038/nmat4393)上。程营副教授为论文的第一作者,刘晓峻教授为论文的通讯作者。

以小尺寸结构有效调控大波长低频声波是声学研究中的难题。近年来,超构介质的概念被引入至声学研究中,人们发现通过构造具有特殊功能的人工单元来模拟分子对声场的响应,可以在亚波长尺度层次上形成对声波的有序调制,并获得与自然材料声学特性迥然不同的声学超构介质,具有巨大的应用前景。目前,声学超构介质的设计大多基于LC共振单元,存在损耗高、结构复杂、特异性质有限等不足。近期的理论研究发现,通过将声学“软”质微共振单元嵌入到“硬”质基体材料中可以获得声学Mie单极子和偶极子,进而构造出高性能新型声学超构介质。然而该设想的实验实现受到软微粒在致密流体介质中有效寿命短、形态稳定性差、难以规则排列等限制。特别是自然界中尚不存在声速较空气低很多的稳定流体,影响了Mie共振单元在空气中声传播的应用。

刘晓峻教授课题组提出了利用高对称性折叠空间结构中低有效声速效应来构建具备超慢声速的流体微单元,并通过3D立体成型技术制作了高质量的人工Mie共振单元,系统地开展了不同温度、气压条件下Mie共振模式激发、等效参数反演和声场调控性能测试等工作。研究结果表明,该单元可有效激发强烈的声学Mie共振,并且展现出丰富的单极子、偶极子、四极子、八极子等一系列经典的Mie共振模式。进一步的研究结果表明,单极子Mie共振可以产生负的有效体模量,而偶极子Mie共振则会实现负的有效动态质量密度。利用该单负材料特性,课题组构建了一种亚波长厚度、大单元间隔的超稀疏超表面,成功获得了低频声波的强反射效果,为突破传统声学理论中低频隔声需要大厚度、无间隔、高密度固体层的限制提供了一种新方法。

图1:单元可产生空气声学Mie共振模式的场分布。a-e,人工单极子、偶极子、四极子、八极子和第二单极子模式。第一/二行所示为声压/相位场分布,第三行箭头所示为等效物理模型中的位移分布,第四行所示的远场模式与场分布一致。

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