[發明專利]一種基于開口空心球的負彈性模量聲學超材料

無效

• 申請號: 201010221191.6
• 申請日: 2010-07-08
• 公開（公告）號: CN102314869A
• 公開（公告）日: 2012-01-11
• 發明（設計）人: 趙曉鵬;丁昌林
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G10K11/162
• 分類號: G10K11/162;G10K11/172
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域本發明涉及一種負彈性模量的聲學超材料，特別涉及一種基于開口空心球共振微結構的聲學超材料。

背景技術在電磁學領域，作為一種人工周期復合結構材料，左手材料(left-handed?metamaterials)已經成為研究熱點。這種材料的介電常數和磁導率同時為負，具有許多奇特的電磁學性能，如：負折射，完美透鏡，反常Doppler效應、反常Cherenkov效應等，對研制超分辨光學儀器，探測器，隱身材料，微波器件等方面有著重要應用價值。由于電磁波和聲波的可類比性，在聲學領域實現等效質量密度和彈性模量同時為負的聲學超材料(acoustic?metamaterials)已經成為聲學發展的迫切需要。聲學超材料也是一種人工周期復合結構材料，其在一定頻率范圍內等效質量密度和彈性模量單一為負或同時為負。當聲波在材料內部傳播時，材料中的聲媒質聲壓和質點振動速度響應與聲波的激勵不同步，表現出許多奇特聲學性質。如：亞波長成像，聲波準直，隱身等。隨著局域共振思想的提出，目前僅能從理論上模擬仿真雙負的聲學超材料。雖然實驗中分別制備了基于核殼結構的負質量密度聲學超材料和基于一維亥姆霍茲共振器的負彈性模量聲學超材料，然而，一維亥姆霍茲共振器很難和其他結構耦合，使得雙負聲學超材料的實現成為一個難點。

開口空心球是一種簡單的共振微結構，可以直接將聚丙烯空心球經過機械鉆孔制得。將這種結構周期性排列于海綿基底中制備的聲學超材料具有負的彈性模量，且耦合性好，如果在海綿基底中排列具有負質量密度的微結構，有可能實現等效質量密度和彈性模量同時為負的雙負聲學超材料。

發明內容本發明的目的是提供一種基于開口空心球的負彈性模量聲學超材料。其結構單元為開口空心球結構。通過結構參數設計，使聲波在特定頻段發生諧振，從而實現材料的負彈性模量。由于本發明中聲學超材料的單元僅為單一的開口空心球結構，其機械加工工藝十分簡便，材料的制備也非常簡單；通過改變微結構的幾何尺寸來實現不同頻段的聲學超材料，將不同尺寸微結構的聲學超材料耦合在一起可以實現寬頻帶的聲學超材料。這些都為實現雙負聲學超材料提供了重要參考。

附圖說明

圖1單一結構的開口空心球聲學超材料

圖2實施例一開口空心球聲學超材料結構示意圖

圖3實施例一開口空心球聲學超材料聲波透射率和透射相位圖

圖4實施例二開口空心球聲學超材料結構示意圖

圖5實施例一開口空心球聲學超材料聲波透射率和透射相位圖

圖6實施例三開口空心球聲學超材料結構示意圖

圖7實施例四雙層開口空心球聲學超材料結構示意圖

具體實施方式采用中空吹塑成型技術，利用聚丙烯塑料制備直徑為D＝10mm～25mm的空心球，制備的空心球壁厚t＝0.5～1mm；然后在空心球一側利用機械鉆孔技術打上直徑為1mm～6mm的圓形孔洞。同時制備直徑為30～100mm，厚度為20～40mm圓柱形結構的海綿基底。將制備的開口空心球排列在海綿基底中，單元間隔a＝11mm～50mm，制得單層開口空心球聲學超材料。若將兩片單層開口空心球聲學超材料按間距40mm排列，即制備三維聲學超材料。

本發明的實現過程和材料的性能由實施例和附圖說明：

實施例一：

采用中空吹塑成型技術，利用聚丙烯塑料制備直徑為D＝25mm的空心球，制備的空心球壁厚t＝1mm；然后在空心球一側利用機械鉆孔技術打上直徑為5mm的圓形孔洞。同時制備直徑為100mm，厚度為40mm圓柱形結構的海綿基底。將制備的開口空心球排列在海綿基底中，單元間隔a＝30mm，制得單層開口空心球聲學超材料如圖2所示。這種單層開口空心球聲學超材料的聲波透射曲線如圖3所示。

實施例二：

采用中空吹塑成型技術，利用聚丙烯塑料制備直徑為D＝10mm的空心球，制備的空心球壁厚t＝0.5mm；然后在空心球一側利用機械鉆孔技術打上直徑為4mm的圓形孔洞。同時制備直徑為30mm，厚度為20mm圓柱形結構的海綿基底。將制備的開口空心球排列在海綿基底中，單元間隔a＝11mm，制備單層開口空心球聲學超材料如圖4所示。這種單層開口空心球聲學超材料的聲波透射曲線如圖5所示。

實施例三：

采用中空吹塑成型技術，利用聚丙烯塑料制備直徑為D＝25mm的空心球，制備的空心球壁厚t＝1mm；然后在空心球一側利用機械鉆孔技術打上直徑為6mm的圓形孔洞。同時制備直徑為100mm，厚度為40mm圓柱形結構的海綿基底。將制備的開口空心球排列在海綿基底中，單元間隔a＝50mm，制得單層開口空心球聲學超材料如圖6所示。