板型双负声学超材料及其性能研究

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声学超材料是一种人工设计的周期性亚波长结构材料,可以实现自然结构所不具备的奇异特性,如声隐身、超透镜、超常传输等。类似于电磁波中的负等效参数超材料,声学超材料具有负等效弹性模量和负等效质量密度特性,单负或双负声学超材料也是声学领域的研究热点。目前多数双负声学超材料是通过在不同的结构单元中引入多种谐振形式,利用偶极谐振和单极谐振的耦合实现的双负特性的,但还存在结构复杂、谐振频带窄,双负频带单一等问题。因此本文提出一种板型负等效参数声学超材料,这种结构是将多种谐振形式的腔体在同一个谐振板上排布组合而成,它可以在多频带实现负的等效参数并对其进行调控。论文的工作主要涉及以下几个方面:(1)本文构建了嵌有OE-OE(Open End-Open End)类和 OE-CE(Open End-Close End)类空心长方形管的两种板结构,研究了各结构参数和排布对其声学性能的影响规律。结果表明:随着谐振腔个数的增加,板结构会表现出更强的负等效质量密度效果,对应的频带也会加宽;谐振腔的长度越长,谐振频率越低;设计嵌有不同长度的OE-CE谐振腔组合的板结构,在双频带、三频带甚至多频带制备出负的等效质量密度声学超材料。(2)本文构建了内嵌9个周期性排布的开孔空心长方体谐振板结构,这种开孔空心长方体能提供负等效弹性模量。详细研究了开孔半径、腔体体积和开孔厚度等几何参数对其透射性能的影响规律,并结合等效声电类比的方法对谐振频率的影响因素进行分析。结果表明:开孔半径越大,等效声感越小,谐振频率越高;开孔厚度越大,等效声感越大,谐振频率越低;腔体体积越大,等效声容越高,谐振频率越低。进一步通过将三种不同几何参数的开孔空心长方体在谐振板上进行组合,制备出三频带负等效弹性模量声学超材料。(3)本文构建了嵌有周期性排布的开孔空心长方体和空心长方形管的耦合板,中间腔体设置为OE-OE腔体或者OE-CE腔体,这类腔体可以为耦合板提供负等效质量密度,进一步将腔体与能提供负等效弹性模量的开孔空心长方体耦合制备耦合板型双负声学超材料;通过在耦合板中设计两种不同长度的OE-CE空心管和不同孔径的开孔空心长方体,在预设的1325-1520Hz和1940-1955Hz实现了双频带双负声学超材料。进一步将多个不同几何参数的开孔空心长方体和空心长方形管进行排列组合,在三频带和多频带也实现了双负等效参数。(4)在第二章嵌有空心长方形管谐振板的基础上,本章提出了一种开孔板结构,它是在其空心管的管壁上开孔得到的,可以在单频带实现双负的声学特性。研究了层间距、开孔半径和开孔位置等参数对声学性能的影响规律。结果表明:随着开孔半径的越大,双负频带会蓝移;随着开孔位置w的增加,双负频带会发生蓝移;层间距越小,耦合效果越好。
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