介質損耗對聲學超材料性質影響的理論研究

《介質損耗對聲學超材料性質影響的理論研究》是依託華南理工大學，由侯志林擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：介質損耗對聲學超材料性質影響的理論研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：侯志林
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

聲學超材料(acoustical metamaterial) 是將一種或幾種結構單元按規則排列於基體材料中所構成的複合結構。這種結構在特定頻率聲波下的行為需要用負的有效質量密度或/和負的彈性模量來描述，因而具有常規材料所不具有的特殊性質。研究表明，介質的損耗作用對這種材料的性質有重要的影響，過大的損耗會使其功能，如超透鏡、隱形斗篷等效應，無法實現。由於結構單元的存在所導致的波場分布非均勻性，使超材料中的波損耗必然不同於其構成組元的介質損耗，而與其構成單元的結構及晶格排列存在關係。本項目將研究介質損耗與超材料構成的關係，明確損耗對超材料性質的影響。這一研究包括兩主方面: 其一，研究單元結構及晶格排列對超材料有效波損耗的影響，以達到調節超材料性質的目的；其二，基於超材料界面行為對其性質的重要影響，而界面場分布又與內部場分布存在顯著差異，我們將研究損耗對界面模式的傳播及耦合性質的影響。

結題摘要

聲學超材料(acoustical metamaterial) 是將一種或幾種結構單元按規則排列於基體材料中所構成的複合結構。其誘人之處在於其聲性質可由其構成單元的微結構來調節，精心設計的微結構單元可以使得材料表現出自然材料無法達到的巨觀性質。然而，介質的損耗作用對這種材料的性質有重要的影響，過大的損耗會使其功能無法實現。因此，明確損耗如何對超材料的性質構成影響，將為超材料的設計及套用提供理論指導。 研究過程中，我們發現對超材料機理的深入探討是明確介質損耗對其性質影響的關鍵。目前，由於構成共振型超材料的基本單元工作於亞波長區域，研究者們認為這種材料應該滿足長波長近似下的等效媒質條件，因此通常引入等效介質參數對超材料結構進行描述，從而引入了負的等效動態質量密度、負的等效彈性常數等概念。這種描述雖然可以給材料的描述帶來便利，但在這一框架下，我們無法研究介質損耗對超材料的性質產生影響的物理機制。因此，我們從超材料的基本構成單元的波回響特性出發，對共振型超材料的機理進行了深入的探討，主要完成了以下三個方面的工作。 （ a）對共振型超材料帶隙機理進行了探討。得出了共振型超材料中帶隙出現須滿足的廣義布拉格條件，糾正了目前普遍認為的“這種結構的帶隙產生與共振單元的晶格排列沒有直接關係”的結論，並由此得出了亞波長條件下聲局域態的獲得條件。為超材料的進一步研究和設計提供了理論指導。 （ b）從共振型超材料的結構特點出發，對負折射現象的機理進行了探討。指出了超材料的雙負等效參數來源於其結構上的非連續性，波透過其最小結構單元時其相位變化的非連續性是負折射現象的根源。這一結論不僅解釋了現有的幾種負折射材料的工作原理，而且為研究介質損耗如何對超材料性質產生影響提供了簡單的途徑。（c）構造了“外接電路/壓電材料”共振單元，實現了固體可調彈性超材料。由於“外接電路/壓電材料”單元是單極共振單元，這種超材料與常規的局域共振型超材料具有不同的性質。