CN111179899A - 声波能量聚集的声学超材料装置 - Google Patents
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Abstract
声波能量聚集的声学超材料装置，为同轴设置的实体，所述实体包括共轴设置的外层、中间层以及内层；所述外层和所述内层的硬度小于所述中间层硬度。采用本方案的声波能量聚集的声学超材料装置，通过巧妙的同轴设置的实体，所述实体包括共轴设置的外层、中间层以及内层，所述外层和所述内层的硬度小于所述中间层硬度。通过实验得知，该结构设计具有良好的声波聚能效果。
Description
【技术领域】
本发明涉及声学超材料设计技术领域，特别是涉及一种声波能量聚集的声 学超材料装置。
【背景技术】
近年来,由于声学超材料在声场控制方面具备优异的特性，成为声学领域研 究的热点。声学超材料是人为设计的，有着反常规的奇特物理效应，在声波传 导、聚焦方面有着独特的作用。声学超构材料的研究基础主要是在声子晶体方 面，声子晶体的研究主要从体弹模量和质量密度两个方面入手讨论其周期调制 的规律，从而实现带隙、边界态以及慢声效应等的物理现象；借鉴微观层面的 电子在半导体中的传输特性，现在很多研究者已经把声学超材料的尺度设计到 亚波长，期待从原子级的局域振动调控能带色散关系，实现更精细的声波操控， 从而利用负折射率突破衍射极限的分辨率等等的新奇效应。
目前声学超材料实验调控方面存在困难，尤其是在对声波能量聚集方面的 研究还比较薄弱。
【发明内容】
基于此，为提高声波能量聚集，提供了一种声波能量聚集的声学超材料装 置。
一种声波能量聚集的声学超材料装置，其特征在于，为同轴设置的实体， 所述实体包括共轴设置的外层、中间层以及内层；所述外层和所述内层的硬度 小于所述中间层硬度；所述内层声波传递效果最好，所述外层次之，所述中间 层声波的传递性传播性能最差。
在一实施例中，所述实体为圆柱体、球体、椭圆体或正方体。
在一实施例中，所述外层、所述中间层以及所述内层依次为液体橡胶层、 软木层、硅溶胶层，或者依次为硅溶胶层、软木层、液体橡胶层。
在一实施例中，所述内层为金属制成。
在一实施例中，所述内层的半径为0.5个输入的波长。
在一实施例中，所述中间层的厚度大于所述外出的厚度，皆小于内层的厚 度。
采用本方案的声波能量聚集的声学超材料装置，通过巧妙的同轴设置的实 体，所述实体包括共轴设置的外层、中间层以及内层，所述外层和所述内层的 硬度小于所述中间层硬度。通过实验得知，该结构设计具有良好的声波聚能效 果。
【附图说明】
图1为一个实施例中声波能量聚集的声学超材料装置的立体结构剖视图；
图2为一个实施例中声波能量聚集的声学超材料装置的俯视图；
图3为一个实施例中内层为铜材的声波聚焦图；
图4为一个实施例中内层为液体橡液层的声波聚焦图；
图5为一个实施例中声波能量聚集的声学超材料装置的声波屏蔽效果图。
【具体实施方式】
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明 实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此 处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设 计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要 求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实 施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明保护的范围。
结合附图1-2，一种声波能量聚集的声学超材料装置，其特征在于，为同轴 设置的实体，实体包括共轴设置的外层、中间层以及内层；外层和内层的硬度 小于中间层硬度。在一实施例中，内层声波传递效果最好，外层次之，中间层 声波的传递性传播性能最差。另外，该实体为圆柱体、球体、椭圆体或正方体， 在本方案中采用圆柱体。
在一实施例中，结合下表，圆柱体状的声波能量聚集的声学超材料装置， 其外层、中间层以及内层依次为液体橡胶层、软木层、硅溶胶层，或者依次为 硅溶胶层、软木层、液体橡胶层，其满足“软-硬-软”结构。
在一实施例中，结合附图3-4可知，图3示出的是内层为铜材料较之内层 为液体橡液层的声波更为聚焦。由此可见，圆柱体状的声波能量聚集的声学超 材料装置的内层为金属制成，声波能量聚集效果更佳。
在一实施例中，圆柱体状的声波能量聚集的声学超材料装置，其内层的半 径为0.5个输入的波长，即为需要集聚且输入声波的波长。且中间层的厚度大 于外出的厚度，皆小于内层的厚度。结合附图5声波屏蔽的效果图，采用本实 施的结构设计，还可以实现声波屏蔽的效果。
为验证上述声波能量聚集的声学超材料装置的设计符合要求，对本申请的 方案进行研究。
研究声波在声学超材料构件中的传播规律：我们可以用声学有效参数来描 述一个声学超材料，即有效质量密度和有效体积模量。我们先来讨论一下声学 有效参数，在声学中，牛顿第二定律可以表示成如下：
其中，
是压强，ρ是质量密度，k是体积模量。
材料的声学性质由这些参数决定。介质的质量密度和体积模量固定为常数， 声波在均匀介质中传播时，传播波矢是
那么通过公式k＝|n|ω/c可以得到 n2＝ρ/k，由此我们可以得到材料的折射率n。根据数学运算规律，n2＝ρ/k≥0得 到介质的质量密度与体积模量必须同时为正数或同时为负数。平面波的坡印廷 矢量可以表示为：
声学中的Veselago介质的质量密度和体积模量是负数，矢量S与波矢k 的方向相反。那么在声学中，我们如何定义介质的质量密度呢？我们把复合介 质的质量密度定义成，所有介质组成部分的质量密度的平均值。例如，在含有 两种成分的复合介质中，两种介质的质量密度分别为D1，D2，它们在材料中的 比例为(1-f)：f，那么我们就可以得到它的平均质量密度为Dv＝(1-f)D1+fD2。
公式(2)是Berryman动态质量密度表达公式，此公式在对于各向同性的 介质的情况下都是成立的。在低频情况下入射波的角动量m＝1时，散射通道可 以表示为
此时，我们可以借助多重散射理论，不但可以解决任意两个散射体之间的 多重散射效应，而且有利于我们进一步的研究弹性波，找到复合介质质量密度 之间的关系。当频率较低的声波入射到介质中时，介质是由二维固体圆柱在流 体中组成的结构，复合介质的平均质量密度与波速有这样的函数关系，即 
其中Beff代表复合介质的有效弹性模量，ρ代表复合介质的动态质 量密度。当入射波的角动量m＝0时，散射通道可以表示为：
其中，B1＝λ1和B2＝λ2+(2/d)μ2，B1和B2分别表示液体和固体的弹性模量；λ 和μ表示材料的拉梅常数；d表示空间维度。公式(2)和(3)表示复合材料中 相互独立的、并行的散射通道。在一些频率时ρ≠Dv，这是因为流体存在一定的 粘滞效应，并且流体的剪切模量会变成复数。
由此可见，根据上述质量密度的研究，可以获得本申请方案的结构设计。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。
Claims (6)
1.一种声波能量聚集的声学超材料装置，其特征在于，为同轴设置的实体，所述实体包括共轴设置的外层、中间层以及内层；所述外层和所述内层的硬度小于所述中间层硬度。
2.根据权利要求1所述的声波能量聚集的声学超材料装置，其特征在于，所述实体为圆柱体、球体、椭圆体或正方体。
3.根据权利要求1所述的声波能量聚集的声学超材料装置，其特征在于，所述外层、所述中间层以及所述内层依次为液体橡胶层、软木层、硅溶胶层，或者依次为硅溶胶层、软木层、液体橡胶层。
4.根据权利要求1所述的声波能量聚集的声学超材料装置，其特征在于，所述内层为金属制成。
5.根据权利要求1所述的声波能量聚集的声学超材料装置，其特征在于，所述内层的半径为0.5个输入的波长。
6.根据权利要求1所述的声波能量聚集的声学超材料装置，其特征在于，所述中间层的厚度大于所述外出的厚度，皆小于内层的厚度。
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|---|---|---|---|---|
| CN111719451A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-09-29 | 北京交通大学 | 结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声屏障 |
| CN112102804A (zh) * | 2020-09-21 | 2020-12-18 | 广东电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料及制作方法 |
| CN113314090A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-08-27 | 西南交通大学 | 一种用于产生声轨道角动量的可调控型声学超表面 |
| CN115019764A (zh) * | 2022-06-16 | 2022-09-06 | 淮阴工学院 | 一种基于变换声学的环形声波聚焦透镜 |
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| HAN JIANNING: ""Acoustic focusing effect of composite metamaterial column in air"" * |
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