用于声学超材料的气球状软质共振单元研究

摘要

在声学超材料的发展中,单极子局域共振是实现负体积模量的重要途径.为实现理想的单极子共振,设计了一种气球状软质共振单元.利用声学有限元方法模拟了这种软质共振单元对平面入射波的控制特性,并计算了其声学等效负参数.在波导管中用两种不同壁厚的小气球作为简易试样,测量了传声损失和等效参数.数值模拟和实验吻合,结果表明软质共振单元可有效阻隔波长远大于其特征尺寸的声波,产生显著的带隙现象.在与带隙对应的频率段,等效体积模量出现明显的负值区间;而等效质量密度则基本保持不变,反映出典型的单极子特性.此外,这种轻质共振单元无需依靠基材产生共振,可直接在空气中布成稀疏阵列来控制声波,并可通过改变球膜的材料和厚度进行调频.从而为构建三维声学超材料提供了一种新的亚波长结构.