一種基於開口空心球的負彈性模量聲學超材料的製作方法
2023-05-15 17:15:36
專利名稱：一種基於開口空心球的負彈性模量聲學超材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種負彈性模量的聲學超材料，特別涉及一種基於開口空心球共振微結構的聲學超材料。
背景技術：
在電磁學領域，作為一種人工周期複合結構材料，左手材料 (left-handed metamaterials)已經成為研究熱點。這種材料的介電常數和磁導率同時為負，具有許多奇特的電磁學性能，如負折射，完美透鏡，反常Doppler效應、反常Cherenkov 效應等，對研製超分辨光學儀器，探測器，隱身材料，微波器件等方面有著重要應用價值。由於電磁波和聲波的可類比性，在聲學領域實現等效質量密度和彈性模量同時為負的聲學超材料(acoustic metamaterials)已經成為聲學發展的迫切需要。聲學超材料也是一種人工周期複合結構材料，其在一定頻率範圍內等效質量密度和彈性模量單一為負或同時為負。當聲波在材料內部傳播時，材料中的聲媒質聲壓和質點振動速度響應與聲波的激勵不同步，表現出許多奇特聲學性質。如亞波長成像，聲波準直，隱身等。隨著局域共振思想的提出，目前僅能從理論上模擬仿真雙負的聲學超材料。雖然實驗中分別製備了基於核殼結構的負質量密度聲學超材料和基於一維亥姆霍茲共振器的負彈性模量聲學超材料，然而， 一維亥姆霍茲共振器很難和其他結構耦合，使得雙負聲學超材料的實現成為一個難點。開口空心球是一種簡單的共振微結構，可以直接將聚丙烯空心球經過機械鑽孔製得。將這種結構周期性排列於海綿基底中製備的聲學超材料具有負的彈性模量，且耦合性好，如果在海綿基底中排列具有負質量密度的微結構，有可能實現等效質量密度和彈性模量同時為負的雙負聲學超材料。發明內容本發明的目的是提供一種基於開口空心球的負彈性模量聲學超材料。其結構單元為開口空心球結構。通過結構參數設計，使聲波在特定頻段發生諧振，從而實現材料的負彈性模量。由於本發明中聲學超材料的單元僅為單一的開口空心球結構，其機械加工工藝十分簡便，材料的製備也非常簡單；通過改變微結構的幾何尺寸來實現不同頻段的聲學超材料，將不同尺寸微結構的聲學超材料耦合在一起可以實現寬頻帶的聲學超材料。 這些都為實現雙負聲學超材料提供了重要參考。
圖1單一結構的開口空心球聲學超材料圖2實施例一開口空心球聲學超材料結構示意3實施例一開口空心球聲學超材料聲波透射率和透射相位4實施例二開口空心球聲學超材料結構示意5實施例一開口空心球聲學超材料聲波透射率和透射相位6實施例三開口空心球聲學超材料結構示意7實施例四雙層開口空心球聲學超材料結構示意圖具體實施方式
採用中空吹塑成型技術，利用聚丙烯塑料製備直徑為D = IOmm 25mm的空心球，製備的空心球壁厚t = 0. 5 Imm ；然後在空心球一側利用機械鑽孔技術打上直徑為Imm 6mm的圓形孔洞。同時製備直徑為30 100mm，厚度為20 40mm圓柱形結構的海綿基底。將製備的開口空心球排列在海綿基底中，單元間隔a = Ilmm 50mm，製得單層開口空心球聲學超材料。若將兩片單層開口空心球聲學超材料按間距40mm排列，即製備三維聲學超材料。本發明的實現過程和材料的性能由實施例和
實施例一採用中空吹塑成型技術，利用聚丙烯塑料製備直徑為D = 25mm的空心球，製備的空心球壁厚t = Imm ；然後在空心球一側利用機械鑽孔技術打上直徑為5mm的圓形孔洞。同時製備直徑為100mm，厚度為40mm圓柱形結構的海綿基底。將製備的開口空心球排列在海綿基底中，單元間隔a = 30mm,製得單層開口空心球聲學超材料如圖2所示。這種單層開口空心球聲學超材料的聲波透射曲線如圖3所示。實施例二採用中空吹塑成型技術，利用聚丙烯塑料製備直徑為D = IOmm的空心球，製備的空心球壁厚t = 0. 5mm ；然後在空心球一側利用機械鑽孔技術打上直徑為4mm的圓形孔洞。 同時製備直徑為30mm，厚度為20mm圓柱形結構的海綿基底。將製備的開口空心球排列在海綿基底中，單元間隔a= 11mm，製備單層開口空心球聲學超材料如圖4所示。這種單層開口空心球聲學超材料的聲波透射曲線如圖5所示。實施例三採用中空吹塑成型技術，利用聚丙烯塑料製備直徑為D = 25mm的空心球，製備的空心球壁厚t = Imm ；然後在空心球一側利用機械鑽孔技術打上直徑為6mm的圓形孔洞。同時製備直徑為100mm，厚度為40mm圓柱形結構的海綿基底。將製備的開口空心球排列在海綿基底中，單元間隔a = 50mm，製得單層開口空心球聲學超材料如圖6所示。實施例四採用中空吹塑成型技術，利用聚丙烯塑料製備直徑為D = 25mm的空心球，製備的空心球壁厚t = Imm ；然後在空心球一側利用機械鑽孔技術打上直徑為6mm的圓形孔洞。同時製備直徑為100mm，厚度為40mm圓柱形結構的海綿基底。將製備的開口空心球排列在海綿基底中，單元間隔a = 30mm,製得單層開口空心球聲學超材料；將兩片單層開口空心球聲學超材料按間距40mm排列，即製備開口空心球聲學超材料的塊狀材料如圖7所示。以上所述，僅為本發明的優選實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，即大凡依本發明權利要求及發明說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利覆蓋的範圍內。
權利要求
1.一種基於開口空心球的負彈性模量聲學超材料，其主要特徵是結構單元為聚丙烯塑料開口空心球，基底為海綿，開口空心球在海綿基底中嵌入式排列成陣列。
2.如權利要求1所述基於開口空心球的負彈性模量聲學超材料，其特徵是開口空心球結構單元陣列的單元間隔a = 11 50mm，開口空心球的直徑D = IOmm 25mm，壁厚t = 0. 5 1mm，開口孔洞直徑d = Imm 6mm，通過改變開口空心球的幾何尺寸，可調節諧振頻率範圍為IOOOHz 5000Hzο
3.如權利要求1所述基於開口空心球的負彈性模量聲學超材料，其特徵是開口空心球陣列的開口方向正對著聲學超材料的入射面。
4.如權利要求1所述基於開口空心球的負彈性模量聲學超材料，其特徵是製備工藝可以分成以下兩種(1)採用中空吹塑成型技術製備塑料空心球，在塑料空心球一側鑽孔加工一定直徑的孔洞，製得開口空心球單元；將開口空心球單元周期性排列在厚度為20mm或40mm圓柱形結構的海綿基底中，製備單層基於開口空心球負彈性模量聲學超材料；(2)將相同尺寸的單層開口空心球負彈性模量聲學超材料緊密堆積，將兩片單層開口空心球聲學超材料按間距40mm排列，製備多層基於開口空心球負彈性模量聲學超材料的塊狀材料。
全文摘要
本發明涉及一種負彈性模量的聲學超材料，特別涉及一種由開口空心球結構單元構成的聲學超材料。本發明所述超材料，由開口空心球作為結構單元。通過調節開口空心球結構的幾何參數，使得材料在1000～5000Hz的聲波頻率範圍內實現負等效彈性模量。與以往負彈性模量聲學超材料相比，本發明所述的開口空心球聲學超材料的結構單元具有很好的耦合性，可以在材料中加入負質量密度的微結構單元，有望實現彈性模量和質量密度同時為負的雙負聲學超材料。
文檔編號G10K11/172GK102314869SQ20101022119
公開日2012年1月11日 申請日期2010年7月8日 優先權日2010年7月8日
發明者丁昌林, 趙曉鵬 申請人:西北工業大學