[論文レビュー] Control of acoustic absorption in 1D scattering by indirect coupled resonant scatterers

Aurélien Merkel, Georgios Theocharis+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2015

Ultrasonics and Acoustic Wave Propagation被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、2つの弱い損失を示す間接的結合ヒューズベル・レゾネータを用いて、1次元波ガイド内で完全な片側音響吸収を実験的に達成できることを示している。共振器の幾何学的形状を調整し、高Qファクターの電磁誘導透明性（EIT）に類似したモードを励起することで、固有の粘応熱的損失への臨界結合が実現され、深く波長より小さい構造（λ/28）においても、96％に達するほぼ完全な吸収が可能になる。非対称構成では片側指向性を示す。

ABSTRACT

We experimentally report perfect acoustic absorption through the interplay of the inherent losses and transparent modes with high $Q$ factor. These modes are generated in a two-port, one-dimensional waveguide which is side-loaded by isolated resonators of moderate $Q$ factor. In symmetric structures, we show that in the presence of small inherent losses, these modes lead to coherent perfect absorption associated with one-sided absorption slightly larger than 0.5. In asymmetric structures, near perfect one-sided absorption is possible (96 \%) with a deep sub-wavelength sample ($λ/28$). The control of strong absorption by the proper tuning of few resonators with weak losses will open new possibilities in various wave-control devices.

研究の動機と目的

• 弱い損失を示すレゾネータを用いて、2ポート1次元音響波ガイドで干渉的完全吸収（CPA）が実験的に達成可能であることを示すこと。
• 固有の粘応熱的損失と高QファクターのEITに類似したモードを活用して、強力で片側指向性の高い吸収を実現する方法を検討すること。
• 構造的対称性と幾何的チューニングが吸収効率および指向性に与える影響を調査すること。
• 非対称なレゾネータ結合を用いて、深く波長より小さい構造（λ/28）においても、ほぼ完全な吸収（最大96％）を達成すること。

提案手法

• システムは、中程度のQファクターを持つ2つのヒューズベル・レゾネータ（HR）を、間接的に波ガイドに接続した2ポート1次元波ガイドを用いる。
• 実験的に散乱行列S(f)を測定し、透過および反射係数を抽出。固有値を用いてCPA条件を同定。
• EITに類似したモードを固有損失と一致させるために、パラメータ $ k^{HR}_1 l / π $ と $ k^{HR}_2 l / π $ を調整し、臨界結合を達成。
• 理論的モデルはS行列形式を用い、固有値 $ \xi_{1,2} = t \pm \sqrt{r^L r^R} $ を導出。CPAは $ \xi_1 = 0 $ のときに成立。
• 非対称構成により鏡像対称性が破られ、左および右の入射波への結合が不均一になるように設計することで、片側指向性吸収を実現。
• 吸収率は $ \alpha = 1 - |r^L|^2 - |t|^2 $ で定義され、特定の周波数および幾何的チューニングで最大値を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固有損失とEITに類似したモードのみを用いて、2ポート1次元音響系で干渉的完全吸収（CPA）を達成可能か？
• RQ2 2つの間接的結合レゾネータ間の構造的非対称性が、片側指向性吸収効率および指向性に与える影響は何か？
• RQ3 弱い損失を示すレゾネータを用いて、深く波長より小さい構造（λ/28）で達成可能な最大片側吸収率は何か？
• RQ4 非対称構成と対称構成の両方において、CPA周波数におけるS行列の固有値の変化はどのように異なるか？

主な発見

• 対称的構成では、実験的に最大60％（理論的には55％）の片側吸収が達成され、$ \xi_1 = 0 $ となる対称的CPA点で最大値を示す。
• 非対称構成では、$ f_{max} = 618 $ Hz で98％のほぼ完全な片側吸収が達成され、$ k^{HR}_1 l / π = 1.14 $、$ k^{HR}_2 l / π = 1.06 $ となる。
• 深く波長より小さい吸収器では、$ f_{max} = 244 $ Hz で96％の吸収が達成され、構造サイズはわずか $ l = 5 $ cm（$ \lambda/28 $）であった。
• 非対称ケースのCPA周波数では、S行列の両固有値が0に近づき、両入射ポートからの完全吸収が確認された。これは、対称ケースとは異なり、片方の固有値しか消えないことと対照的である。
• 吸収ピークは、EITに類似したモードの臨界結合に起因しており、高Qモードの放射率が粘応熱的効果に起因する固有損失率と一致する。
• 実験結果は、Qファクターが低いレゾネータの方が、幾分かの幾何的チューニングにより制御が可能であるため、より高い吸収が達成されることを裏付けている。