[发明专利]一种基于开口空心球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，特别涉及一种基于开口空心球共振微结构的声学超材料。

背景技术在电磁学领域，作为一种人工周期复合结构材料，左手材料(left-handed metamaterials)已经成为研究热点。这种材料的介电常数和磁导率同时为负，具有许多奇特的电磁学性能，如：负折射，完美透镜，反常Doppler效应、反常Cherenkov效应等，对研制超分辨光学仪器，探测器，隐身材料，微波器件等方面有着重要应用价值。由于电磁波和声波的可类比性，在声学领域实现等效质量密度和弹性模量同时为负的声学超材料(acoustic metamaterials)已经成为声学发展的迫切需要。声学超材料也是一种人工周期复合结构材料，其在一定频率范围内等效质量密度和弹性模量单一为负或同时为负。当声波在材料内部传播时，材料中的声媒质声压和质点振动速度响应与声波的激励不同步，表现出许多奇特声学性质。如：亚波长成像，声波准直，隐身等。随着局域共振思想的提出，目前仅能从理论上模拟仿真双负的声学超材料。虽然实验中分别制备了基于核壳结构的负质量密度声学超材料和基于一维亥姆霍兹共振器的负弹性模量声学超材料，然而，一维亥姆霍兹共振器很难和其他结构耦合，使得双负声学超材料的实现成为一个难点。

开口空心球是一种简单的共振微结构，可以直接将聚丙烯空心球经过机械钻孔制得。将这种结构周期性排列于海绵基底中制备的声学超材料具有负的弹性模量，且耦合性好，如果在海绵基底中排列具有负质量密度的微结构，有可能实现等效质量密度和弹性模量同时为负的双负声学超材料。

发明内容本发明的目的是提供一种基于开口空心球的负弹性模量声学超材料。其结构单元为开口空心球结构。通过结构参数设计，使声波在特定频段发生谐振，从而实现材料的负弹性模量。由于本发明中声学超材料的单元仅为单一的开口空心球结构，其机械加工工艺十分简便，材料的制备也非常简单；通过改变微结构的几何尺寸来实现不同频段的声学超材料，将不同尺寸微结构的声学超材料耦合在一起可以实现宽频带的声学超材料。这些都为实现双负声学超材料提供了重要参考。

附图说明

图1单一结构的开口空心球声学超材料

图2实施例一开口空心球声学超材料结构示意图

图3实施例一开口空心球声学超材料声波透射率和透射相位图

图4实施例二开口空心球声学超材料结构示意图

图5实施例一开口空心球声学超材料声波透射率和透射相位图

图6实施例三开口空心球声学超材料结构示意图

图7实施例四双层开口空心球声学超材料结构示意图

具体实施方式采用中空吹塑成型技术，利用聚丙烯塑料制备直径为D＝10mm～25mm的空心球，制备的空心球壁厚t＝0.5～1mm；然后在空心球一侧利用机械钻孔技术打上直径为1mm～6mm的圆形孔洞。同时制备直径为30～100mm，厚度为20～40mm圆柱形结构的海绵基底。将制备的开口空心球排列在海绵基底中，单元间隔a＝11mm～50mm，制得单层开口空心球声学超材料。若将两片单层开口空心球声学超材料按间距40mm排列，即制备三维声学超材料。

本发明的实现过程和材料的性能由实施例和附图说明：

实施例一：

采用中空吹塑成型技术，利用聚丙烯塑料制备直径为D＝25mm的空心球，制备的空心球壁厚t＝1mm；然后在空心球一侧利用机械钻孔技术打上直径为5mm的圆形孔洞。同时制备直径为100mm，厚度为40mm圆柱形结构的海绵基底。将制备的开口空心球排列在海绵基底中，单元间隔a＝30mm，制得单层开口空心球声学超材料如图2所示。这种单层开口空心球声学超材料的声波透射曲线如图3所示。

实施例二：

采用中空吹塑成型技术，利用聚丙烯塑料制备直径为D＝10mm的空心球，制备的空心球壁厚t＝0.5mm；然后在空心球一侧利用机械钻孔技术打上直径为4mm的圆形孔洞。同时制备直径为30mm，厚度为20mm圆柱形结构的海绵基底。将制备的开口空心球排列在海绵基底中，单元间隔a＝11mm，制备单层开口空心球声学超材料如图4所示。这种单层开口空心球声学超材料的声波透射曲线如图5所示。

实施例三：

采用中空吹塑成型技术，利用聚丙烯塑料制备直径为D＝25mm的空心球，制备的空心球壁厚t＝1mm；然后在空心球一侧利用机械钻孔技术打上直径为6mm的圆形孔洞。同时制备直径为100mm，厚度为40mm圆柱形结构的海绵基底。将制备的开口空心球排列在海绵基底中，单元间隔a＝50mm，制得单层开口空心球声学超材料如图6所示。