[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一种基于带颈区域的改进型膨胀腔结构的负体积模量声学超材料，以增强低频段的隔声性能。通过将其与具有负等效密度的膜结构结合，该设计实现了双负特性——同时具备负模量和负密度，该特性通过有限元模拟（FEM）得到验证。

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.

研究动机与目标

• 设计一种基于膨胀腔几何结构的声学超材料，实现负体积模量。
• 分析基于膜结构的系统以实现负等效密度。
• 将负模量与负密度组件整合为单一的双负声学超材料。
• 通过有限元方法（FEM）仿真验证双负特性。
• 探讨中心质量加载膜与预张力膜阵列之间的内在相似性。

提出的方法

• 设计一种带颈区域的改进型膨胀腔，以提升低频段的隔声性能。
• 建立改进型膨胀腔的模型，通过FEM验证其负体积模量行为。
• 分析带有中心质量的膜结构，利用FEM实现负等效密度。
• 研究预张力膜阵列的负密度行为，并与中心质量加载膜设计进行对比。
• 将改进型膨胀腔与膜阵列结合，构建双负结构。
• 进行有限元仿真，评估有效介质参数并确认双负行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 带颈区域的改进型膨胀腔是否能在低频段表现出负体积模量？
• RQ2 在膜结构中添加中心质量如何影响其在声学超材料中的等效密度？
• RQ3 从等效密度响应的角度看，中心质量加载膜与预张力膜阵列之间存在何种相似性？
• RQ4 将负模量腔体与负密度膜阵列结合，能否实现双负声学超材料？
• RQ5 所提出的混合结构中，双负行为的频率范围与幅值范围为何？

主要发现

• 带颈区域的改进型膨胀腔在低频段表现出负体积模量，显著提升了隔声性能。
• 带有中心质量的膜结构因共振行为表现出负等效密度，该结果通过FEM仿真得到验证。
• 预张力膜阵列表现出与中心质量加载膜相当的负密度行为，表明二者在设计原理上具有根本相似性。
• 改进型膨胀腔与膜阵列组合形成的复合结构实现了双负特性，即同时具备负等效模量与负等效密度。
• 有限元建模证实，在某一频率频带内，体积模量与密度同时为负，从而实现独特的波调控能力。
• 双负特性在低频段最为显著，适用于噪声控制与亚波长声聚焦等应用。