[論文レビュー] Acoustic metamaterial with negative modulus and a double negative structure

Bhisham Sharma, Chin-Teh Sun|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2015

Acoustic Wave Phenomena Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、首つり部を備えた修正された拡張室を用いて負の体積弾性率を実現する音響メタマテリアルを提案し、低周波数帯域での透過損失を向上させている。膜構造を用いて負の等価密度を示すものと組み合わせることで、同時に負の体積弾性率と負の密度を有する二重負の挙動を実現し、有限要素法（FEM）を用いて検証した。

ABSTRACT

An acoustic negative bulk modulus metamaterial based on the concept of expansion chambers is proposed. It is shown that addition of a neck region to an ordinary expansion chamber improves its transmission loss characteristics at low frequencies and the resulting structure displays a negative bulk modulus behavior. Additionally, membrane based metamaterials are analyzed. Using FEM, the negative density behavior of a membrane carrying a center mass and of a tensioned membrane array is analyzed and the inherent similarity of the two designs is discussed. Further, the modified expansion chamber is combined with an array of stretched membranes and the resulting structure is analyzed for double negative behavior.

研究の動機と目的

• 拡張室の幾何構造を用いて負の体積弾性率を有する音響メタマテリアルを設計すること。
• 膜に基づく構造を分析し、負の等価密度を達成すること。
• 負の体積弾性率と負の密度の構成要素を統合して、1つの二重負の音響メタマテリアルを構築すること。
• 有限要素法（FEM）シミュレーションを用いて二重負の挙動を検証すること。
• 中心質量を有する膜と張力がかかっている膜アレイの間の本質的な類似性を明らかにすること。

提案手法

• 首つり部を備えた修正された拡張室を設計し、低周波数帯域での透過損失を向上させること。
• 修正された拡張室をモデル化し、FEMを用いて負の体積弾性率の挙動を示すこと。
• 中心質量を有する膜を分析し、FEMを用いて負の等価密度を達成すること。
• 事前に張力がかかっている膜アレイを調査し、負の密度挙動を示し、中心質量を有する構造と比較すること。
• 修正された拡張室と膜アレイを統合して、二重負の構造を構築すること。
• 有限要素法シミュレーションを実施し、有効媒質パラメータを評価し、二重負の挙動を確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 首つり部を有する修正された拡張室は、低周波数帯域で負の体積弾性率を示すことができるか？
• RQ2 膜に中心質量を追加すると、音響メタマテリアルにおける等価密度にどのような影響を与えるか？
• RQ3 中心質量を有する膜と事前に張力がかかっている膜アレイとの間で、等価密度応答にどのような類似性が存在するか？
• RQ4 負の体積弾性率を有する拡張室と負の密度を有する膜アレイを組み合わせることで、二重負の音響メタマテリアルを実現できるか？
• RQ5 提案されたハイブリッド構造における二重負の挙動の周波数範囲と大きさは何か？

主な発見

• 首つり部を有する修正された拡張室は、低周波数帯域で負の体積弾性率を示し、透過損失が顕著に向上した。
• 中心質量を有する膜は、共鳴挙動に起因して負の等価密度を示し、FEMシミュレーションで確認された。
• 張力がかかっている膜アレイは、中心質量を有する膜と同等の負の密度挙動を示し、根本的な設計の類似性を示している。
• 修正された拡張室と膜アレイを統合した構造は、同時に負の等価体積弾性率と負の密度を有する二重負の挙動を実現した。
• 有限要素法によるモデリングにより、体積弾性率と密度の両方が負となる周波数帯域が存在することが確認され、波の特異な制御が可能であることが示された。
• 二重負の挙動は低周波数帯域で顕著であり、騒音制御やサブ波長音響集光の応用に適している。