[发明专利]一种可调谐的负弹性模量声学超材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种负弹性模量的声学超材料，特别涉及一种可调谐的负弹性模量声学超材料。

背景技术

左手材料是指一类由电和磁谐振单元在空间周期性排列的人工煤质，其奇特的波动性质更是极大地吸引着人们的研究兴趣，如亚波长成像、负折射、平板聚焦效应、反常多普勒效应、隐身和完美透镜效应等等。在电磁学领域，将周期排列开口谐振环(SRRs)和金属杆的两种结构组合在一起，可以得到同时具有负磁导率和介电常数的左手材料。由于电磁波和声波的相似性，从理论和实验上都证实声学超材料能展现出负的弹性模量或负的质量密度。具有负的质量密度的声学超材料一般是通过弹簧振子系统或薄膜实现的。另一方面，负弹性模量的超材料是由亥姆霍兹共振器或开口空心球制备得到。目前，双负的声学超材料是由耦合负弹性模量和负质量密度的结构来构建。然而，一种具有单频响应特点的负结构很难与另一种负的结构耦合，因此，制备一种可调频的负声学超材料成为当前首要解决的问题。

最近，我们课题组制备出一种二维负弹性模量声学超材料，它是由开口空心球(SHS)周期性排列于海绵基底中构成。现在进一步证实通过改变SHS的几何尺寸能极大地影响共振频率。本发明提出了一种可调谐的负弹性模量超材料，它是通过变化SHS内部的介质组分来轻松调节共振频率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于SHS的可调谐的负弹性模量声学超材料。其结构单元为SHS，通过改变SHS的内部组分，即改变由水与空气构成的复合介质组分，可调节声波发生谐振的频段，从而实现具有负弹性模量材料的可调谐性。由于本发明所提供的调谐方法简单，可以方便地实现不同频段的谐振，使得此类负弹性模量更易与负质量密度的超材料耦合，为进一步制备双负声学超材料提供了重要的参考。

附图说明

图1声学超材料的结构示意图

图2SHS的内部介质示意图

图3开口孔径为2.5mm SHS在不同复合介质成份下的透射率曲线

图4装有直径2mm的钢球，开口孔径为4mm SHS的透射率曲线

图5装有1个2mm钢球，开口孔径为2.5mm SHS在不同复合介质成份下的透射率曲线

具体实施方式

本发明的声学超材料是由商业级的直径为10mm，壁厚为0.5mm的聚苯乙烯塑料空心球与圆柱形海绵组成，其中：利用机械钻孔技术在空心球一侧钻直径分别为2.5mm和4mm的孔洞，海绵直径30mm，厚25mm。将制备的开口空心球排列在海绵基底中央，而SHS的内部分别存在4种介质情况：1只有空气的介质；2空气与添加的水的复合介质；3添加的钢球和空气的复合介质；4添加的钢球和水与空气的复合介质。本发明是通过改变水的含量来实现调控SHS的声学透射行为，以此达到调谐的目的。另外，通过在SHS中添加钢球后，改变水的体积百分数相同的基础上，可使得SHS的调谐范围加宽。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明：

实施例一

首先：利用机械钻孔技术在直径为10mm，壁厚为0.5mm的聚苯乙烯塑料空心球一侧钻直径为2.5mm的孔洞；其次：制备直径30mm，厚25mm的海绵作为基底；最后：将制备的开口空心球放置在海绵基底中央，这样就制得了SHS声学超材料，正如图1所示。另外，开口空心球的内部介质见图2(a)，水的含量为0vol％。这种超材料的声波透射曲线如图3所示。

实施例二

首先：利用机械钻孔技术在直径为10mm，壁厚为0.5mm的聚苯乙烯塑料空心球一侧钻直径为2.5mm的孔洞；其次：制备直径30mm，厚25mm的海绵作为基底；最后：将制备的开口空心球放置在海绵基底中央，这样就制得了SHS声学超材料，正如图1所示。另外，开口空心球的内部介质见图2(b)，水的含量为62.5vol％。这种超材料的声波透射曲线如图3所示。

实施例三

首先：利用机械钻孔技术在直径为10mm，壁厚为0.5mm的聚苯乙烯塑料空心球一侧钻直径为4mm的孔洞；其次：制备直径30mm，厚25mm的海绵作为基底；最后：将制备的开口空心球放置在海绵基底中央，这样就制得了SHS声学超材料，正如图1所示。另外，开口空心球的内部介质见图2(a)，水的含量为0vol％。这种超材料的声波透射曲线如图4所示。

实施例四