Акустический метаматериал - Acoustic metamaterial

Эта статья может быть слишком техническим для большинства читателей, чтобы понять. Пожалуйста помогите улучшить это к сделать понятным для неспециалистов, не снимая технических деталей. (Июль 2020) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

An акустический метаматериал, звуковой кристалл, или же фононный кристалл, это материал, предназначенный для управления, направления и манипулирования звуковые волны или же фононы в газы, жидкости, и твердые вещества (кристаллические решетки ). Управление звуковой волной осуществляется путем изменения параметров, таких как объемный модуль β, плотность ρ, и хиральность. Они могут быть сконструированы для передачи или улавливания и усиления звуковых волн на определенных частотах. В последнем случае материал представляет собой акустический резонатор.

Акустические метаматериалы используются для моделирования и исследования чрезвычайно крупномасштабных акустических явлений, таких как сейсмические волны и землетрясения, но также и чрезвычайно мелкомасштабные явления, такие как атомы. Последнее возможно из-за инженерии запрещенной зоны: акустические метаматериалы могут быть сконструированы так, чтобы они имели запрещенные зоны для фононов, аналогичные существованию запрещенные зоны за электроны в твердых телах или же электронные орбитали в атомах. Это также сделало фононный кристалл все более широко исследуемым компонентом в квантовые технологии и эксперименты, которые исследуют квантовая механика. Важными разделами физики и техники, которые в значительной степени зависят от акустических метаматериалов, являются исследования материалов с отрицательным показателем преломления и (квантовая) оптомеханика.

Произведение «Органо» скульптора Эусебио Семпере является крупномасштабным примером фононного кристалла: он состоит из периодической системы цилиндров в воздухе («метаматериал» или «кристаллическая структура»), а его размеры и рисунок спроектированы таким образом, чтобы звук волны определенных частот сильно затухают. Это стало первым свидетельством существования фононных запрещенных зон в периодических структурах.^[1]

История

Акустические метаматериалы были разработаны на основе исследований и открытий метаматериалы. Новый материал был первоначально предложен Виктор Веселаго в 1967 году, но реализовано было лишь 33 года спустя. Джон Пендри производил основные элементы из метаматериалов в конце 1990-х гг. Его материалы были объединены с материалами с отрицательным показателем преломления, впервые реализованными в 2000 году, что расширило возможные оптические характеристики и характеристики материала. Исследования акустических метаматериалов преследуют ту же цель - более широкий отклик материала на звуковые волны.^{[2][3][4][5][6]}

Исследования с использованием акустических метаматериалов начались в 2000 году с изготовления и демонстрации звуковых кристаллов в жидкости.^[7] После этого поведение резонатора с разрезным кольцом было перенесено на исследования акустических метаматериалов.^[8] После этого двойные отрицательные параметры (отрицательный модуль объемной упругости β_эфф и отрицательная плотность ρ_эфф) были получены с помощью этого типа среды.^[9] Затем группа исследователей представила конструкцию и результаты испытаний ультразвуковой линзы из метаматериала для фокусировки 60 кГц.^[10]

Акустическая инженерия обычно занимается контроль шума, медицинский ультразвук, сонар, воспроизведение звука, и как измерить некоторые другие физические свойства с помощью звука. С помощью акустических метаматериалов направлением звука через среду можно управлять, изменяя показатель акустического преломления. Таким образом, возможности традиционных акустических технологий расширяются, например, благодаря возможности скрыть определенные объекты от акустического обнаружения.

Первые успешные промышленные применения акустических метаматериалов были испытаны для изоляции самолетов.^[11]

Основные принципы

Свойства акустических метаматериалов обычно обусловлены структурой, а не составом, с такими методами, как контролируемое изготовление небольших неоднородностей для обеспечения эффективного макроскопического поведения.^[4][12]

Объемный модуль и массовая плотность

Объемный модуль - иллюстрация равномерного сжатия

Объемный модуль β мера сопротивления вещества равномерному сжатию. Он определяется как отношение давление увеличение необходимо для того, чтобы вызвать данное относительное уменьшение громкости.

В плотность вещества (или просто «плотность») материала определяется как масса на единицу объема и выражается в граммах на кубический сантиметр (г / см³).^[13] Во всех трех классических состояниях материи - газе, жидкости или твердом теле - плотность изменяется с изменением температуры или давления, причем газы наиболее подвержены этим изменениям. Спектр плотностей широк: от 10¹⁵ г / см³ за нейтронные звезды, 1,00 г / см³ для воды до 1,2 × 10⁻³ г / см³ для воздуха.^[13] Другие соответствующие параметры: плотность площади который является массой над (двумерной) областью, линейная плотность - масса по одномерной линии, и относительная плотность, который представляет собой плотность, деленную на плотность стандартного материала, например воды.

Для акустических материалов и акустических метаматериалов как объемный модуль, так и плотность являются параметрами компонентов, которые определяют их показатель преломления. Акустический показатель преломления аналогичен показателю концепция, используемая в оптике, но это касается давления или поперечные волны, вместо электромагнитные волны.

Теоретическая модель

Сравнение одномерных, двухмерных и трехмерных фононных кристаллических структур, в которых метаматериал демонстрирует периодическое изменение скорости звука в 1, 2 и 3 измерениях (слева направо, соответственно).

Акустические метаматериалы или фононные кристаллы можно понимать как акустический аналог фотонные кристаллы: вместо электромагнитных волн (фотонов), распространяющихся через материал с периодически изменяемым оптическим показателем преломления (что приводит к изменению скорость света ), фононный кристалл содержит волны давления (фононы), распространяющиеся через материал с периодически изменяемым показателем акустического преломления, что приводит к изменению скорость звука.

В дополнение к параллельным концепциям показателя преломления и кристаллической структуры, электромагнитные волны и акустические волны оба математически описываются волновое уравнение.

Простейшая реализация акустического метаматериала будет представлять собой распространение волны давления через пластину с периодически изменяемым показателем преломления в одном измерении. В этом случае поведение волны через плиту или «стопку» можно предсказать и проанализировать с помощью матрицы передачи. Этот метод широко используется в оптике, где он используется для описания световых волн, распространяющихся через распределенный брэгговский отражатель.

Акустические метаматериалы с отрицательным показателем преломления

В определенных полосы частот, эффективная массовая плотность и объемный модуль могут стать отрицательными. Это приводит к отрицательный показатель преломления. Фокусировка плоской плиты, что может привести к супер разрешение, похож на электромагнитные метаматериалы. Двойные отрицательные параметры являются результатом низкочастотного резонансы.^[14] В сочетании с четко выраженным поляризация при распространении волн; k = | n | ω, представляет собой уравнение для показателя преломления при взаимодействии звуковых волн с акустическими метаматериалами (ниже):^[15]

${ displaystyle n ^ {2} = { frac { rho} { beta}}}$

Неотъемлемыми параметрами среды являются массовая плотность ρ, модуль объемной упругости β и хиральность k. Хиральность или хиральность определяет полярность распространение волн (волновой вектор ). Следовательно, в рамках последнего уравнения решения типа Веселаго (n² = ты* ε) возможны для распространения волны как отрицательное или положительное состояние ρ и β определяют распространение прямой или обратной волны.^[15]

В электромагнитных метаматериалах отрицательная диэлектрическая проницаемость встречается в природных материалах. Однако отрицательная проницаемость должна быть намеренно создана в искусственная среда передачи. Для акустических материалов ни отрицательного ρ ни отрицательный β не обнаруживается в природных материалах;^[15] они получены из резонансные частоты искусственно созданной среды передачи, и такие отрицательные значения являются аномальной реакцией. Отрицательный ρ или β означает, что на определенных частотах среда расширяется при воздействии сжатие (отрицательный модуль) и ускоряется влево, когда его толкают вправо (отрицательная плотность).^[15]

Электромагнитное поле против акустического поля

Электромагнитный спектр простирается от частот, используемых в современном радио, до гамма-излучение на коротковолновой части, охватывающей длины волн от тысяч километров до доли размера атома. Для сравнения, инфразвуковые частоты находятся в диапазоне от 20 Гц до 0,001 Гц, звуковые частоты составляют от 20 Гц до 20 кГц, а ультразвуковой диапазон превышает 20 кГц.

В то время как электромагнитные волны могут распространяться в вакууме, для распространения акустических волн требуется среда.

Механика решеточных волн

В жесткой решетчатой ​​структуре атомы действуют друг на друга, поддерживая равновесие. Большинство этих атомных сил, таких как ковалентный или же ионные связи, имеют электрическую природу. В магнитная сила, и сила сила тяжести незначительны.^[16] Из-за связи между ними смещение одного или нескольких атомов из их положений равновесия вызывает набор вибраций. волны распространяется через решетку. Одна такая волна показана на рисунке справа. В амплитуда волны задаются смещениями атомов из их положений равновесия. В длина волны λ отмечен.^[17]

Существует минимально возможный длина волны, заданная равновесным разделением а между атомами. Любая длина волны короче этой может быть отображена на большую длину волны из-за эффектов, подобных сглаживание.^[17]

Исследования и приложения

Приложения акустических исследований метаматериалов включают отражение сейсмических волн и вибрация технологии контроля, связанные с землетрясения, а также прецизионное зондирование.^[14][7][18] Фононные кристаллы могут быть спроектированы так, чтобы иметь запрещенные зоны для фононов, аналогичные существованию запрещенных зон для фононов. электроны в твердых телах и к существованию электронные орбитали в атомах. Однако, в отличие от атомов и природных материалов, свойства метаматериалов можно настраивать (например, с помощью микротехнология ). По этой причине они представляют собой потенциальную испытательную площадку для фундаментальной физики и квантовые технологии.^[19][20] Они также имеют множество инженерных приложений, например, они широко используются в качестве механического компонента в оптомеханический системы.^[21]

Звуковые кристаллы

В 2000 году исследование Лю и другие. проложили путь к акустическим метаматериалам через звуковые кристаллы, которые имеют спектральные щели на два порядка меньше длины волны звука. Спектральные промежутки препятствуют передаче волн заданных частот. Частоту можно настроить на желаемые параметры, варьируя размер и геометрию.^[7]

Изготовленный материал состоял из твердых свинцовых шариков высокой плотности в качестве сердечника, размером один сантиметр и покрытых слоем резины толщиной 2,5 мм. силикон. Они были расположены в форме кубической кристаллической решетки 8 × 8 × 8. Шары были вклеены в кубическую структуру с эпоксидная смола. Пропускание измерялось как функция частоты от 250 до 1600 Гц для четырехслойного звукового кристалла. Двухсантиметровая плита поглощает звук, для которого обычно требуется гораздо более толстый материал при частоте 400 Гц. Падение амплитуды наблюдалось на частотах 400 и 1100 Гц.^[7][22]

Амплитуды звуковых волн, попадающих на поверхность, сравнивались со звуковыми волнами в центре конструкции. Колебания покрытых сфер поглощали звуковую энергию, которая создавала частотный промежуток; звуковая энергия поглощалась экспоненциально по мере увеличения толщины материала. Ключевым результатом была отрицательная упругая постоянная, созданная из резонансных частот материала.

Планируемые области применения звуковых кристаллов - отражение сейсмических волн и ультразвук.^[7][22]

Разъемные кольцевые резонаторы для акустических метаматериалов

Резонаторы с разъемными медными кольцами и провода, установленные на соединительных листах печатной платы из стекловолокна. Резонатор с разъемным кольцом состоит из внутреннего квадрата с разрезом на одной стороне, встроенного во внешний квадрат с разрезом на другой стороне. Резонаторы с разъемным кольцом находятся на передней и правой поверхностях квадратной решетки, а одиночные вертикальные провода находятся на задней и левой поверхностях.^[8][23]

2004 г. кольцевые резонаторы (SRR) стал объектом исследования акустических метаматериалов. Анализ характеристик ширины запрещенной зоны, полученных из собственных ограничивающие свойства искусственно созданных SRR, параллельно с анализом звуковых кристаллов. Свойства запрещенной зоны SRR были связаны со свойствами запрещенной зоны звукового кристалла. В этом запросе содержится описание механические свойства и проблемы механика сплошной среды для звуковых кристаллов как макроскопически однородного вещества.^[18]

Корреляция в возможностях запрещенной зоны включает в себя локально резонансные элементы и модули упругости которые работают в определенном частотном диапазоне. Элементы, которые взаимодействуют и резонируют в своих соответствующих локализованных областях, встроены по всему материалу. В акустических метаматериалах локально резонансными элементами было бы взаимодействие одной резиновой сферы размером 1 см с окружающей жидкостью. Значениями полос заграждения и частот запрещенной зоны можно управлять, выбирая размер, типы материалов и интеграцию микроскопических структур, которые управляют модуляцией частот. Эти материалы затем могут экранировать акустические сигналы и ослаблять эффекты антиплоских поперечных волн. Экстраполируя эти свойства в более крупные масштабы, можно создать фильтры сейсмических волн (см. Сейсмические метаматериалы ).^[18]

Массив метаматериалов может создавать фильтры или поляризаторы либо электромагнитного, либо упругие волны. Методы, применимые к двумерным стоп-группа и управление шириной запрещенной зоны с помощью фотонных или звуковых структур.^[18] Похожий на фотонный и изготовление электромагнитного метаматериала, звуковой метаматериал внедряется с локализованными источниками массовой плотности ρ и параметры объемного модуля упругости β, которые аналогичны диэлектрической проницаемости и проницаемости соответственно. Звуковые (или фононные) метаматериалы представляют собой звуковые кристаллы. Эти кристаллы имеют твердую вести сердечник и более мягкий, эластичный силикон покрытие.^[7] Звуковые кристаллы имеют встроенные локализованные резонансы из-за покрытых сфер, которые в результате почти плоские разброс кривые. Мовчан и Генно проанализировали и представили низкочастотные запрещенные зоны и локализованные волновые взаимодействия покрытых сфер.^[18]

Этот метод можно использовать для настройки ширины запрещенной зоны, присущей материалу, и для создания новой низкочастотной запрещенной зоны. Он также применим для создания низкочастотных волноводов на фононных кристаллах.^[18]

Фононные кристаллы

Фононные кристаллы - это синтетические материалы, образованные периодическое изменение акустических свойств материала (т. е. эластичность и масса). Одно из их основных свойств - возможность иметь фононную запрещенную зону. Фононный кристалл с фононной запрещенной зоной предотвращает передачу фононов выбранных диапазонов частот через материал.^[24][25]

Чтобы получить полосу частот фононного кристалла, Теорема Блоха применяется к одной элементарной ячейке в пространстве обратной решетки (Зона Бриллюэна ). Для решения этой задачи доступно несколько численных методов, например метод плоско-волнового расширения, то метод конечных элементов, а метод конечных разностей.^[26]

Для ускорения вычисления структуры полосы частот можно использовать метод сокращенного расширения блоховского режима (RBME).^[26] RBME применяется «поверх» любого из упомянутых выше численных методов первичного разложения. Для моделей больших элементарных ячеек метод RBME может сократить время вычисления зонной структуры до двух порядков.

Основа фононных кристаллов восходит к Исаак Ньютон кто вообразил эти звуковые волны размноженный через воздуха так же, как упругая волна распространялась бы по решетке точечные массы связаны пружинами с сила упругости константа E. Это сила константа идентична модуль из материал. С фононными кристаллами материалы с различным модулем расчеты сложнее, чем эта простая модель.^[24][25]

Ключевым фактором для проектирования акустической запрещенной зоны является сопротивление несоответствие между периодический элементы, составляющие кристалл и окружающую среду. Когда продвигающийся волновой фронт встречается с материалом с очень высоким импедансом, он будет иметь тенденцию к увеличению фазовая скорость через эту среду. Точно так же, когда продвигающийся фронт волны встречается со средой с низким импедансом, он замедляется. Эту концепцию можно использовать с периодической компоновкой элементов с несогласованным сопротивлением, чтобы воздействовать на акустические волны в кристалле.^[24][25]

Положение запрещенной зоны в частотном пространстве для фононного кристалла определяется размером и расположением элементов, составляющих кристалл. Ширина запрещенной зоны обычно связана с разницей в скорость звука (из-за разницы в сопротивлении) через материалы, из которых состоит композит.^[24][25]

Двойной отрицательный акустический метаматериал

Синфазные волны

Противофазные волны

Слева: реальная часть из плоская волна двигаясь сверху вниз. Справа: та же волна после центрального участка претерпела фазовый сдвиг, например, проходя через метаматериал. неоднородности другой толщины, чем другие части. (На рисунке справа не учитывается эффект дифракция эффект которого увеличивается на больших расстояниях).

Электромагнитные (изотропные) метаматериалы имеют встроенные резонансный структуры, которые демонстрируют эффективную отрицательную диэлектрическую проницаемость и отрицательную проницаемость для некоторых диапазонов частот. Напротив, сложно создать композитные акустические материалы со встроенными резонансами, чтобы два эффективных функции ответа отрицательны в пределах возможностей или диапазона среда передачи.^[9]

Плотность массы ρ и модуль объемной упругости β зависят от положения. Используя формулировку плоская волна волновой вектор:^[9]

${ displaystyle { vec {k}} = { frac { | n | omega} {c}}. ,}$

С угловая частота представлена ω, и c скорость распространения акустического сигнала через однородная среда. При постоянной плотности и объемном модуле в качестве составляющих среды показатель преломления выражается как n² = ρ / β. Чтобы развить плоскую волну, распространяющуюся через материал, необходимо, чтобы оба ρ и β может быть положительным или отрицательным.^[9]

При достижении отрицательных параметров математический результат Вектор Пойнтинга ${ displaystyle scriptstyle { overleftarrow {s}}}$ находится в противоположном направлении от волновой вектор ${ displaystyle scriptstyle { overrightarrow {k}}}$. Это требует отрицательных значений объемного модуля и плотности. Природные материалы не имеют отрицательной плотности или отрицательного модуля объемной упругости, но отрицательные значения математически возможны и могут быть продемонстрированы при диспергировании мягкой резины в жидкости.^[9][27][28]

Даже для композиционных материалов эффективный объемный модуль упругости и плотность обычно ограничиваются значениями составляющих, то есть получением нижней и верхней границ для модулей упругости среды. Ожидание положительного объемного модуля и положительной плотности является внутренним. Например, диспергирование сферических твердых частиц в жидкости приводит к соотношению, определяемому удельным весом при взаимодействии с длинной акустической волной (звуком). Математически можно доказать, что β_эфф и ρ_эфф однозначно положительно относятся к натуральным материалам.^[9][27] Исключение составляют низкие резонансные частоты.^[9]

В качестве примера, акустическая двойная отрицательность теоретически продемонстрирована с композитом из мягких сфер из силиконового каучука, подвешенных в воде.^[9] В мягкой резине звук распространяется намного медленнее, чем через воду. Высокий контраст скоростей звука между резиновыми сферами и водой позволяет передавать очень низкие монополярные и диполярные частоты. Это аналог аналитического решения для рассеяния электромагнитного излучения, или рассеяние электромагнитных плоских волн, сферическими частицами - диэлектрик сферы.^[9]

Следовательно, существует узкий диапазон нормированных частот 0,035 <ωa / (2πc) <0,04, где модуль объемного сжатия и отрицательная плотность отрицательны. Здесь а - постоянная решетки, если сферы расположены в гранецентрированная кубическая (ГЦК) решетка; ω угловая частота и c скорость звукового сигнала. Эффективный объемный модуль упругости и плотность вблизи статического предела положительны, как и предсказывалось. Монополярный резонанс создает отрицательный объемный модуль упругости выше нормализованной частоты примерно на 0,035, в то время как дипольный резонанс создает отрицательную плотность выше нормализованной частоты примерно на 0,04.^[9]

Это поведение аналогично низкочастотным резонансам, возникающим в SRR (электромагнитном метаматериале). Провода и разрезные кольца создают собственный электрический диполярный и магнитный дипольный отклик. В этом искусственно созданном акустическом метаматериале из резиновых сфер и воды только одна структура (вместо двух) создает низкочастотные резонансы для достижения двойной отрицательности.^[9] При монополярном резонансе сферы расширяются, что приводит к сдвигу фаз между волнами, проходящими через резину и воду. Это создает отрицательный ответ. Диполярный резонанс создает отрицательный отклик, так что частота центра масс сфер не в фазе с волновым вектором звуковой волны (акустический сигнал). Если эти отрицательные отклики достаточно велики, чтобы компенсировать фоновый флюид, можно иметь как отрицательный эффективный модуль объемной упругости, так и отрицательную эффективную плотность.^[9]

Как массовая плотность, так и величина, обратная модулю объемного сжатия, уменьшаются по величине достаточно быстро, чтобы групповая скорость стала отрицательной (двойная отрицательность). Это приводит к желаемым результатам отрицательной рефракции. Двойная отрицательность является следствием резонанса и возникающих в результате свойств отрицательной рефракции.

Метаматериал с одновременно отрицательными объемным модулем упругости и массовой плотностью

В 2007 году сообщалось о метаматериале, который одновременно обладает отрицательным модулем объемного сжатия и отрицательной плотностью массы. Этот метаматериал представляет собой цинковая обманка структура, состоящая из одного fcc массив сфер с пузырьками из воды (BWS) и другой относительно смещенный массив сфер с резиновым покрытием из золота (RGS) в специальной эпоксидной смоле.^[29]

Отрицательный модуль объемной упругости достигается за счет монополярных резонансов серии BWS. Отрицательная массовая плотность достигается дипольными резонансами серии золотых сфер. Это не резиновые шарики в жидкости, а твердый материал. Это также пока реализация одновременно отрицательного объемного модуля упругости и массовой плотности в твердом материале, что является важным отличием.^[29]

Двойные С-резонаторы

Двойные C-резонаторы (DCR) представляют собой разрезанные пополам кольца, которые могут иметь конфигурацию из нескольких ячеек, аналогично SRRS. Каждая ячейка состоит из большого жесткого диска и двух тонких связок и действует как крошечный осциллятор, соединенный пружинами. Одна пружина закрепляет осциллятор, а другая соединяется с массой. Это аналог LC-резонатор емкости C, индуктивности L и резонансной частоты √1 / (LC). Скорость звука в матрице выражается как c = √ρ/ µ с плотностью ρ и модуль сдвига μ. Хотя рассматривается линейная упругость, проблема в основном определяется поперечными волнами, направленными под углом к ​​плоскости цилиндров.^[14]

Фононная запрещенная зона возникает в связи с резонансом разрезного цилиндрического кольца. Существует фононная запрещенная зона в диапазоне нормированных частот. Это когда включение движется как жесткое тело. Конструкция DCR давала подходящую полосу с отрицательным наклоном в диапазоне частот. Эта полоса была получена путем гибридизации режимов DCR с модами тонких жестких стержней. Расчеты показали, что на этих частотах:

• луч звука отрицательно преломляется через пластину такой среды,
• фазовый вектор в среде имеет действительную и мнимую части с противоположными знаками,
• среда хорошо согласована по сопротивлению с окружающей средой,
• плоский пласт из метаматериала может отображать источник через пласт, как линза Веселаго,
• изображение, сформированное плоской пластиной, имеет значительное субволновое разрешение изображения, и
• двойной угол метаматериала может действовать как открытый резонатор для звука.

Акустическая метаматериальная суперлинза

В 2009 году Шу Чжан и другие. представили дизайн и результаты испытаний ультразвуковой линзы из метаматериала для фокусировки звуковых волн 60 кГц (~ 2 см) под водой.^[10] Линза была сделана из субволновых элементов, потенциально более компактных, чем фононные линзы, работающие в том же диапазоне частот.^[10]

Линза состоит из сети заполненных жидкостью полостей, называемых Резонаторы Гельмгольца которые колеблются на определенных частотах. Подобно сети катушек индуктивности и конденсаторов в электромагнитном метаматериале, расположение резонаторов Гельмгольца, разработанное Чжаном. и другие. имеют отрицательный динамический модуль для ультразвуковых волн. Точечный источник звука с частотой 60,5 кГц был сфокусирован в точку шириной примерно в половину длины волны, и есть потенциал для дальнейшего улучшения пространственного разрешения.^[10] Результат согласуется с моделью линии передачи, в которой получены эффективная массовая плотность и сжимаемость. Эта линза из метаматериала также отображает переменное фокусное расстояние на разных частотах.^[30][31]

Эта линза может улучшить методы акустической визуализации, поскольку пространственное разрешение традиционных методов ограничено длиной волны падающего ультразвука. Это связано с быстрым исчезновением мимолетные поля которые несут субволновые характеристики объектов.^[30]

Акустический диод

Акустический диод был введен в 2009 году, который преобразует звук в другую частоту и блокирует обратный поток исходной частоты. Это устройство могло бы обеспечить большую гибкость при разработке источников ультразвука, подобных тем, которые используются в медицинской визуализации. Предлагаемая конструкция объединяет два компонента: первый - это лист нелинейного акустического материала, скорость звука которого зависит от давления воздуха. Примером такого материала является набор зерен или шариков, который становится более жестким при сжатии.Второй компонент - это фильтр, который пропускает удвоенную частоту, но отражает исходную.^[32][33]

Акустическая маскировка

Акустический плащ - это гипотетическое устройство, которое делает объекты непроницаемыми для звуковых волн. Это может быть использовано для создания звукоизоляция дома, современные концертные залы или военные корабли-невидимки. Идея акустической маскировки состоит в том, чтобы просто отклонить звуковые волны вокруг объекта, который должен быть маскирован, но с тех пор это было трудно понять. механические метаматериалы необходимы. Создание такого метаматериала для звука означает изменение акустических аналогов диэлектрической проницаемости и проницаемости в световых волнах, которые представляют собой массовую плотность материала и его упругую постоянную. Исследователи из Уханьский университет, Китай в статье 2007 г.^[34] сообщили о метаматериале, который одновременно обладал отрицательными объемным модулем упругости и массовой плотностью.

Лабораторное устройство из метаматериала, которое применимо к ультразвуковым волнам, было продемонстрировано в 2011 году для длин волн от 40 до 80 кГц. Акустический плащ из метаматериала был разработан, чтобы скрывать предметы, погруженные в воду, изгибающие и скручивающие звуковые волны. Механизм маскировки состоит из 16 концентрических колец в цилиндрической конфигурации, каждое из которых имеет акустические контуры и разные показатель преломления. Это заставляет звуковые волны изменять свою скорость от звонка к звонку. Звуковые волны распространяются вокруг внешнего кольца, руководствуясь каналами в цепях, которые изгибают волны, чтобы обернуть их вокруг внешних слоев. Это устройство было описано как набор полостей, которые фактически замедляют скорость распространения звуковых волн. Экспериментальный цилиндр был погружен в резервуар, и его заставили исчезнуть из поля зрения сонара. Другие объекты различной формы и плотности также были скрыты от сонара.^{[31][35][36][37][38]}

Фононные метаматериалы для управления температурным режимом

Поскольку фононы несут ответственность за теплопроводность в твердых телах акустические метаматериалы могут быть разработаны для регулирования теплопередачи.^[39][40]

Смотрите также

Книги

Ученые-метаматериалы

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Леонхардт, Ульф; Смит, Дэвид Р. (2008). «Фокус на оптике маскировки и трансформации». Новый журнал физики. 10 (11): 115019. Bibcode:2008NJPh ... 10k5019L. Дои:10.1088/1367-2630/10/11/115019.
• Клык, Николай; Си, Дунцзюань; Сюй, Цзяньи; Амбати, Муралидхар; Шритураванич, Верают; Сунь, Ченг; Чжан, Сян (2006). «Ультразвуковые метаматериалы с отрицательным модулем упругости» (PDF). Материалы Природы. 5 (6): 452–6. Bibcode:2006НатМа ... 5..452F. Дои:10.1038 / nmat1644. PMID  16648856. S2CID  11216648. Архивировано из оригинал (PDF) 23 июня 2010 г.
• Чжан, Шу; Ся, Чунгуан; Клык, Николай (2011). «Широкополосный акустический плащ для ультразвуковых волн». Письма с физическими проверками. 106: 024301. arXiv:1009.3310. Bibcode:2011PhRvL.106b4301Z. Дои:10.1103 / PhysRevLett.106.024301. PMID  21405230.
• Пендри, Дж. Б.; Ли, Дженсен (2008). «Акустическая метафлюид: создание широкополосной акустической оболочки». Новый журнал физики. 10 (11): 115032. Bibcode:2008NJPh ... 10k5032P. Дои:10.1088/1367-2630/10/11/115032.
• Ричард В. Крастер и др .: Акустические метаматериалы: отрицательное преломление, визуализация, линзирование и маскировка. Спрингер, Дордрехт 2013, ISBN  978-94-007-4812-5.

внешняя ссылка

• Фононные кристаллы
• Материалы с отрицательным показателем преломления
• Акустическая маскировка