Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с фононного кристалла )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Акустический Метаматериал , звуковой кристалл или фононный кристалл , представляет собой материал , предназначенный для контроля, направлять и манипулировать звуковые волны или фононы в газах , жидкостях и твердые ( кристаллические решетки ). Управление звуковой волной осуществляется путем изменения параметров, таких как объемный модуль β , плотность ρ и хиральность . Они могут быть сконструированы для передачи или улавливания и усиления звуковых волн на определенных частотах. В последнем случае материал представляет собой акустический резонатор .

Часть серии по
Механика сплошной среды
Законы
Сохранение
Неравенства
Механика твердого тела
Гидравлическая механика
Жидкости
Жидкости
  • Поверхностное натяжение
  • Капиллярное действие
Газы
  • Атмосфера
  • Закон Бойля
  • Закон Чарльза
  • Закон Гей-Люссака
  • Закон о комбинированном газе
Плазма
Реология
  • Вязкоупругость
  • Реометрия
  • Реометр
Умные жидкости
  • Электрореологический
  • Магнитореологический
  • Феррожидкости
Ученые
  • Бернулли
  • Бойл
  • Коши
  • Чарльз
  • Эйлер
  • Гей-Люссак
  • Гук
  • Ньютон
  • Навье
  • Нолл
  • Паскаль
  • Стокса
  • Truesdell
  • v
  • т
  • е

Акустические метаматериалы используются для моделирования и исследования чрезвычайно крупномасштабных акустических явлений, таких как сейсмические волны и землетрясения , а также чрезвычайно мелкомасштабных явлений, таких как атомы. Последнее возможно благодаря технологии запрещенной зоны: акустические метаматериалы могут быть спроектированы так, чтобы они демонстрировали запрещенные зоны для фононов, аналогичные существованию запрещенных зон для электронов в твердых телах или электронных орбиталей в атомах. Это также сделало фононный кристалл все более широко исследуемым компонентом в квантовых технологиях и экспериментах, исследующих квантовую механику.. Важными разделами физики и техники, которые в значительной степени зависят от акустических метаматериалов, являются исследования материалов с отрицательным показателем преломления и (квантовая) оптомеханика .

Произведение «Органо» скульптора Эусебио Семпере является крупномасштабным примером фононного кристалла: он состоит из периодической системы цилиндров в воздухе («метаматериал» или «кристаллическая структура»), а его размеры и рисунок спроектированы таким образом, чтобы звук волны определенных частот сильно затухают. Это стало первым свидетельством существования фононных запрещенных зон в периодических структурах. [1]

История [ править ]

Основная статья: История метаматериалов

Акустические метаматериалы появились в результате исследований и открытий в области метаматериалов . Новый материал был первоначально предложен Виктором Веселаго в 1967 году, но реализован только через 33 года. Джон Пендри создал основные элементы метаматериалов в конце 1990-х годов. Его материалы были объединены с материалами с отрицательным показателем преломления, впервые реализованными в 2000 году, что расширило возможные оптические характеристики и характеристики материала. Исследования акустических метаматериалов преследуют ту же цель - более широкий отклик материала звуковыми волнами. [2] [3] [4] [5] [6]

Исследования с использованием акустических метаматериалов начались в 2000 году с изготовления и демонстрации звуковых кристаллов в жидкости. [7] После этого поведение резонатора с разрезным кольцом было перенесено на исследования в области акустических метаматериалов. [8] После этого, этот тип среды создавал двойные отрицательные параметры (отрицательный модуль объемной упругости β eff и отрицательную плотность ρ eff ). [9] Затем группа исследователей представила дизайн и результаты испытаний ультразвуковой линзы из метаматериала для фокусировки 60 кГц. [10]

Акустическая инженерия обычно занимается контролем шума , медицинским ультразвуком , сонаром , воспроизведением звука и измерением некоторых других физических свойств с помощью звука. С помощью акустических метаматериалов направлением звука в среде можно управлять, изменяя показатель акустического преломления. Таким образом, возможности традиционных акустических технологий расширяются, например, они позволяют скрыть определенные объекты от акустического обнаружения.

Первые успешные промышленные применения акустических метаматериалов были испытаны для изоляции самолетов. [11]

Основные принципы [ править ]

Свойства акустических метаматериалов обычно обусловлены структурой, а не составом, с такими методами, как контролируемое изготовление небольших неоднородностей для обеспечения эффективного макроскопического поведения. [4] [12]

Объемный модуль и массовая плотность [ править ]

Объемный модуль - иллюстрация равномерного сжатия

Модуль объемной упругости β является мерой сопротивления вещества равномерному сжатию. Он определяется как степень увеличения давления, необходимая для того, чтобы вызвать заданное относительное уменьшение объема.

Плотность массы (или просто «плотность») материала определяется как масса на единицу объема , и выражается в граммах на кубический сантиметр (г / см 3 ). [13] Во всех трех классических состояниях материи - газе, жидкости или твердом теле - плотность изменяется с изменением температуры или давления, причем газы являются наиболее восприимчивыми к этим изменениям. Спектр плотностей широк: от 10 15 г / см 3 для нейтронных звезд , 1,00 г / см 3 для воды, до 1,2 · 10 -3 г / см 3 для воздуха. [13] Другими важными параметрами являются плотность площади.которая представляет собой массу по (двумерной) области, линейная плотность - масса по одномерной линии и относительная плотность , которая представляет собой плотность, деленную на плотность эталонного материала, такого как вода.

Для акустических материалов и акустических метаматериалов как объемный модуль, так и плотность являются параметрами компонентов, которые определяют их показатель преломления. Акустический показатель преломления аналогичен понятию, используемому в оптике , но он касается волн давления или поперечных волн , а не электромагнитных волн .

Теоретическая модель [ править ]

Сравнение одномерных, двухмерных и трехмерных фононных кристаллических структур, в которых метаматериал демонстрирует периодическое изменение скорости звука в 1, 2 и 3 измерениях (слева направо, соответственно).

Акустические метаматериалы или фононные кристаллы можно понимать как акустический аналог фотонных кристаллов : вместо электромагнитных волн (фотонов), распространяющихся через материал с периодически изменяемым оптическим показателем преломления (что приводит к изменению скорости света ), фононный кристалл содержит волны давления. (фононы) распространяются через материал с периодически изменяемым показателем акустического преломления, что приводит к изменению скорости звука .

В дополнение к параллельным концепциям показателя преломления и кристаллической структуры, электромагнитные и акустические волны математически описываются волновым уравнением .

Простейшей реализацией акустического метаматериала было бы распространение волны давления через пластину с периодически изменяемым показателем преломления в одном измерении. В этом случае поведение волны через плиту или «стопку» можно предсказать и проанализировать с помощью передаточных матриц . Этот метод широко используется в оптике, где он используется для описания световых волн, распространяющихся через распределенный брэгговский отражатель .

Дополнительная информация о распространении акустических волн: Акустическая волна и метод трансфер-матрицы (оптика) § Акустические волны

Акустические метаматериалы с отрицательным показателем преломления [ править ]

В определенных диапазонах частот эффективная массовая плотность и объемный модуль могут стать отрицательными. Это приводит к отрицательному показателю преломления . Фокусировка плоских пластин , которая может привести к сверхразрешению , аналогична электромагнитным метаматериалам. Двойные отрицательные параметры являются результатом низкочастотных резонансов . [14] В сочетании с четко определенной поляризацией во время распространения волны; k = | n | ω , представляет собой уравнение для показателя преломления при взаимодействии звуковых волн с акустическими метаматериалами (ниже): [15]

Неотъемлемыми параметрами среды являются массовая плотность ρ , модуль объемной упругости β и хиральность k . Хиральность или хиральность определяет полярность распространения волны ( волновой вектор ). Следовательно, в рамках последнего уравнения для распространения волн возможны решения типа Веселаго (n 2 = u * ε), поскольку отрицательное или положительное состояние ρ и β определяет распространение прямой или обратной волны. [15]

В электромагнитных метаматериалах отрицательная диэлектрическая проницаемость встречается в природных материалах. Однако в искусственной передающей среде должна быть намеренно создана отрицательная проницаемость . Что касается акустических материалов, в материалах природного происхождения не обнаруживается ни отрицательного ρ, ни отрицательного β; [15] они получены из резонансных частот искусственно созданной передающей среды, и такие отрицательные значения являются аномальной реакцией. Отрицательные значения ρ или β означают, что на определенных частотах среда расширяется при сжатии (отрицательный модуль) и ускоряется влево, когда ее толкают вправо (отрицательная плотность). [15]

Электромагнитное поле против акустического поля [ править ]

Электромагнитный спектр простирается от низких частот, используемых в современном радио, до гамма-излучения на коротковолновой части, охватывая длины волн от тысяч километров до доли размера атома. Для сравнения, инфразвуковые частоты находятся в диапазоне от 20 Гц до 0,001 Гц, звуковые частоты составляют от 20 Гц до 20 кГц, а ультразвуковой диапазон превышает 20 кГц.

В то время как электромагнитные волны могут распространяться в вакууме, для распространения акустических волн требуется среда.

Механика решеточных волн [ править ]

В жесткой решетчатой ​​структуре атомы действуют друг на друга, поддерживая равновесие . Большинство этих атомных сил, таких как ковалентные или ионные связи , имеют электрическую природу. Магнитная сила , и сила тяжести ничтожно малы. [16] Из-за связи между ними, смещение одного или нескольких атомов из их положений равновесия приводит к возникновению набора вибрационных волн, распространяющихся через решетку. Одна такая волна показана на рисунке справа. Амплитуда волны задаются смещениями атомов из их равновесных положений. Длина волны λ помечается.[17]

Существует минимально возможная длина волны, определяемая равновесным расстоянием a между атомами. Любая длина волны короче этой может быть отображена на большую длину волны из-за эффектов, подобных наложению спектров . [17]

Исследования и приложения [ править ]

Приложения акустических исследований метаматериалов включают технологии отражения сейсмических волн и контроля вибрации, связанные с землетрясениями , а также прецизионное зондирование . [14] [7] [18] Фононные кристаллы могут быть сконструированы так, чтобы демонстрировать запрещенные зоны для фононов, аналогичные существованию запрещенных зон для электронов в твердых телах и существованию электронных орбиталей в атомах. Однако, в отличие от атомов и природных материалов, свойства метаматериалов можно точно настроить (например, с помощью микротехнологий ). По этой причине они представляют собой потенциальную испытательную площадку для фундаментальной физики и квантовых технологий .[19] [20] У них также есть множество инженерных приложений, например, они широко используются в качестве механического компонента в оптомеханических системах. [21]

Звуковые кристаллы [ править ]

В 2000 году исследование Liu et al. проложили путь к акустическим метаматериалам через звуковые кристаллы , спектральные щели которых на два порядка меньше длины волны звука. Спектральные промежутки препятствуют передаче волн на заданных частотах. Частоту можно настроить на желаемые параметры, варьируя размер и геометрию. [7]

Изготовленный материал состоял из твердых свинцовых шариков высокой плотности в качестве сердечника, размером один сантиметр, покрытых 2,5-миллиметровым слоем силиконового каучука . Они были расположены в форме кубической кристаллической решетки 8 × 8 × 8. Шарики были зацементированы в кубическую структуру эпоксидной смолой . Пропускание измерялось как функция частоты от 250 до 1600 Гц для четырехслойного звукового кристалла. Двухсантиметровая плита поглощает звук, для которого обычно требуется гораздо более толстый материал при частоте 400 Гц. Падение амплитуды наблюдалось на частотах 400 и 1100 Гц. [7] [22]

Амплитуды звуковых волн, попадающих на поверхность, сравнивались со звуковыми волнами в центре конструкции. Колебания покрытых сфер поглощали звуковую энергию, которая создавала частотный промежуток; звуковая энергия поглощалась экспоненциально по мере увеличения толщины материала. Ключевым результатом была отрицательная упругая постоянная, созданная из резонансных частот материала.

Спроектированные применения звуковых кристаллов - отражение сейсмических волн и ультразвук. [7] [22]

Разъемные кольцевые резонаторы для акустических метаматериалов [ править ]

Резонаторы с разъемным медным кольцом и провода, установленные на соединительных листах печатной платы из стекловолокна. Резонатор с разъемным кольцом состоит из внутреннего квадрата с разрезом на одной стороне, встроенного во внешний квадрат с разрезом на другой стороне. Резонаторы с разъемным кольцом находятся на передней и правой поверхностях квадратной решетки, а одиночные вертикальные провода находятся на задней и левой поверхностях. [8] [23]

В 2004 году разъемные кольцевые резонаторы (СРР) стали объектом исследования акустических метаматериалов. Анализ частотных характеристик запрещенной зоны, основанный на присущих ограничивающих свойствах искусственно созданных SRR, проводился параллельно с анализом звуковых кристаллов. Свойства запрещенной зоны SRR были связаны со свойствами запрещенной зоны звукового кристалла. В основе этого исследования лежит описание механических свойств и проблем механики сплошной среды для звуковых кристаллов как макроскопически однородного вещества. [18]

Корреляция в возможностях запрещенной зоны включает в себя локально резонансные элементы и модули упругости, которые работают в определенном диапазоне частот. Элементы, которые взаимодействуют и резонируют в своей соответствующей локальной области, встроены по всему материалу. В акустических метаматериалах локально резонансными элементами было бы взаимодействие единственной резиновой сферы размером 1 см с окружающей жидкостью. Значениями полосы заграждения и частот запрещенной зоны можно управлять, выбирая размер, типы материалов и интеграцию микроскопических структур, которые управляют модуляцией частот. Эти материалы затем могут экранировать акустические сигналы и ослаблять эффекты антиплоских поперечных волн. Экстраполируя эти свойства в более крупные масштабы, можно создать фильтры сейсмических волн (см.Сейсмические метаматериалы ). [18]

Массивные метаматериалы могут создавать фильтры или поляризаторы электромагнитных или упругих волн . Были разработаны методы, которые могут быть применены к двумерному контролю запрещенной зоны и запрещенной зоны с помощью фотонных или звуковых структур. [18] Подобно производству фотонных и электромагнитных метаматериалов, в звуковой метаматериал встроены локализованные источники массовой плотности ρ и параметров объемного модуля β, которые аналогичны диэлектрической проницаемости и проницаемости, соответственно. Звуковые (или фононные) метаматериалы представляют собой звуковые кристаллы. Эти кристаллы имеют твердую свинцовую сердцевину и более мягкое и эластичное силиконовое покрытие.[7] Звуковые кристаллы имели встроенные локализованные резонансы из-за покрытых сфер, которые приводили к почти плоским дисперсионным кривым. Мовчан и Генно проанализировали и представили низкочастотные запрещенные зоны и локализованные волновые взаимодействия покрытых сфер. [18]

Этот метод можно использовать для настройки ширины запрещенной зоны, присущей материалу, и для создания новой низкочастотной запрещенной зоны. Он также применим для создания низкочастотных фононных кристаллических волноводов. [18]

Фононные кристаллы [ править ]

Фононные кристаллы - это синтетические материалы, образованные периодическим изменением акустических свойств материала (т. Е. Упругости и массы). Одно из их основных свойств - возможность иметь фононную запрещенную зону. Фононный кристалл с фононной запрещенной зоной предотвращает передачу фононов выбранных диапазонов частот через материал . [24] [25]

Чтобы получить полосу частот фононного кристалла, теорема Блоха применяется к одной элементарной ячейке в пространстве обратной решетки ( зона Бриллюэна ). Некоторые численные методы доступны для этой проблемы, такие , как метод расширения плоской волны , с методом конечных элементов , и метода конечной разностей . [26]

Чтобы ускорить вычисление структуры полосы частот, можно использовать метод сокращенного расширения блоховского режима (RBME). [26] RBME применяется «поверх» любого из упомянутых выше численных методов первичного разложения. Для моделей больших элементарных ячеек метод RBME может сократить время вычисления зонной структуры до двух порядков.

Основа фононных кристаллов восходит к Исааку Ньютону, который вообразил, что звуковые волны распространяются в воздухе так же, как упругая волна распространяется по решетке точечных масс, соединенных пружинами с постоянной упругой силы E. Эта силовая постоянная идентична модуль из материала . С фононными кристаллами материалов с различным модулем расчеты более сложны, чем эта простая модель. [24] [25]

Ключевым фактором для проектирования акустической запрещенной зоны является рассогласование импеданса между периодическими элементами, составляющими кристалл, и окружающей средой. Когда продвигающийся фронт волны встречает материал с очень высоким импедансом, он будет стремиться к увеличению своей фазовой скорости через эту среду. Точно так же, когда продвигающийся фронт волны встречает среду с низким импедансом, он замедляется. Эта концепция может быть использована с периодической компоновкой элементов с несогласованным сопротивлением для воздействия на акустические волны в кристалле. [24] [25]

Положение запрещенной зоны в частотном пространстве для фононного кристалла определяется размером и расположением элементов, составляющих кристалл. Ширина запрещенной зоны обычно связана с разницей в скорости звука (из-за разницы в сопротивлении) через материалы, из которых состоит композит. [24] [25]

Двойной отрицательный акустический метаматериал [ править ]

Синфазные волны
Противофазные волны
Слева: действительная часть из плоской волны , движущейся сверху вниз. Справа: та же волна после центрального участка претерпела фазовый сдвиг, например, проходя через неоднородности метаматериала, толщина которых отличается от толщины других участков. (На рисунке справа не учитывается эффект дифракции , эффект которого увеличивается на больших расстояниях).

Электромагнитные (изотропные) метаматериалы имеют встроенные резонансные структуры, которые демонстрируют эффективную отрицательную диэлектрическую проницаемость и отрицательную проницаемость для некоторых диапазонов частот. Напротив, сложно создавать композитные акустические материалы со встроенными резонансами, так что две эффективные функции отклика являются отрицательными в пределах возможностей или диапазона передающей среды . [9]

Массовая плотность ρ и объемный модуль β зависят от положения. Используя формулировку плоской волны, волновой вектор имеет вид: [9]

С угловой частотой , представленной со , и с того скорость распространения акустического сигнала через однородную среду . При постоянной плотности и объемном модуле упругости в качестве составляющих среды показатель преломления выражается как n 2 = ρ / β. Чтобы развить распространяющуюся плоскую волну через материал, необходимо, чтобы и ρ, и β были либо положительными, либо отрицательными. [9]

Когда достигаются отрицательные параметры, математический результат вектора Пойнтинга находится в направлении, противоположном волновому вектору . Это требует отрицательных значений объемного модуля и плотности. Природные материалы не имеют отрицательной плотности или отрицательного модуля объемной упругости, но отрицательные значения математически возможны и могут быть продемонстрированы при диспергировании мягкой резины в жидкости. [9] [27] [28]

Даже для композиционных материалов эффективный объемный модуль упругости и плотность обычно ограничиваются значениями составляющих, т. Е. Получением нижних и верхних границ модулей упругости среды. Ожидается положительный объемный модуль упругости и положительная плотность. Например, диспергирование сферических твердых частиц в жидкости приводит к соотношению, определяемому удельным весом при взаимодействии с длинной акустической волной (звуком). Математически можно доказать, что β eff и ρ eff определенно положительны для природных материалов. [9] [27] Исключение составляют низкие резонансные частоты. [9]

В качестве примера, акустическая двойная отрицательность теоретически продемонстрирована с помощью композита из мягких сфер из силиконового каучука, подвешенных в воде. [9] В мягкой резине звук распространяется намного медленнее, чем через воду. Высокий контраст скоростей звука между резиновыми сферами и водой позволяет передавать очень низкие монополярные и диполярные частоты. Это аналог аналитического решения для рассеяния электромагнитного излучения, или рассеяния плоской электромагнитной волны , сферическими частицами - диэлектрическими сферами. [9]

Следовательно, существует узкий диапазон нормированных частот 0,035 <ωa / (2πc) <0,04, где модуль объемной упругости и отрицательная плотность отрицательны. Здесь a - постоянная решетки, если сферы расположены в гранецентрированной кубической (ГЦК) решетке; ω - угловая частота, c - скорость акустического сигнала. Эффективный объемный модуль упругости и плотность вблизи статического предела положительны, как и предсказывалось. Монополярный резонанс создает отрицательный объемный модуль упругости выше нормализованной частоты примерно на 0,035, в то время как дипольный резонанс создает отрицательную плотность выше нормализованной частоты примерно на 0,04. [9]

Это поведение аналогично низкочастотным резонансам, возникающим в SRR (электромагнитном метаматериале). Провода и разрезные кольца создают собственный электрический диполярный и магнитный дипольный отклик. В этом искусственно созданном акустическом метаматериале из резиновых сфер и воды только одна структура (вместо двух) создает низкочастотные резонансы для достижения двойной отрицательности. [9]При монополярном резонансе сферы расширяются, что приводит к сдвигу фаз между волнами, проходящими через резину и воду. Это создает отрицательный ответ. Диполярный резонанс создает отрицательный отклик, так что частота центра масс сфер не совпадает по фазе с волновым вектором звуковой волны (акустический сигнал). Если эти отрицательные отклики достаточно велики, чтобы компенсировать фоновый флюид, можно иметь как отрицательный эффективный модуль объемной упругости, так и отрицательную эффективную плотность. [9]

И массовая плотность, и величина, обратная модулю объемного сжатия, уменьшаются по величине достаточно быстро, чтобы групповая скорость стала отрицательной (двойная отрицательность). Это приводит к желаемым результатам отрицательного преломления. Двойная отрицательность является следствием резонанса и возникающих в результате свойств отрицательного преломления.

Метаматериал с одновременно отрицательными объемным модулем упругости и массовой плотностью [ править ]

В 2007 году сообщалось о метаматериале, который одновременно обладает отрицательным модулем объемной упругости и отрицательной плотностью массы. Этот метаматериал представляет собой структуру из цинковой обманки, состоящую из одного массива ГЦК сфер с пузырьками и водой (BWS) и другого относительно смещенного массива сфер с резиновым покрытием и золота (RGS) в специальной эпоксидной смоле. [29]

Отрицательный модуль объемной упругости достигается за счет монополярных резонансов серии BWS. Отрицательная массовая плотность достигается дипольными резонансами серии золотых сфер. Это не резиновые шарики в жидкости, а твердый материал. Это также пока реализация одновременно отрицательного объемного модуля упругости и массовой плотности в материале на твердой основе, что является важным отличием. [29]

Дополнительная информация: коэффициент Пуассона

Двойные резонаторы C [ править ]

Двойные C-резонаторы (DCR) представляют собой разрезанные пополам кольца, которые могут иметь несколько конфигураций ячеек, аналогично SRRS. Каждая ячейка состоит из большого жесткого диска и двух тонких связок и действует как крошечный осциллятор, соединенный пружинами. Одна пружина закрепляет осциллятор, а другая соединяется с массой. Он аналогичен LC-резонатору с емкостью C, индуктивностью L и резонансной частотой √1 / (LC). Скорость звука в матрице выражается как c = √ ρ / µ с плотностью ρ и модулем сдвига μ. Хотя рассматривается линейная упругость, проблема в основном определяется поперечными волнами, направленными под углом к ​​плоскости цилиндров. [14]

Фононная запрещенная зона возникает в связи с резонансом разрезного цилиндрического кольца. В диапазоне нормированных частот имеется фононная запрещенная зона. Это когда включение движется как твердое тело . Конструкция DCR давала подходящую полосу с отрицательным наклоном в диапазоне частот. Эта полоса была получена путем гибридизации режимов DCR с модами тонких жестких стержней. Расчеты показали, что на этих частотах:

  • луч звука отрицательно преломляется через пластину такой среды,
  • фазовый вектор в среде имеет действительную и мнимую части с противоположными знаками,
  • среда хорошо согласована по сопротивлению с окружающей средой,
  • плоский пласт из метаматериала может отображать источник через пласт, как линза Веселаго,
  • изображение, сформированное плоской пластиной, имеет значительное субволновое разрешение изображения, и
  • двойной угол метаматериала может действовать как открытый резонатор для звука.

Акустическая метаматериальная суперлинза [ править ]

В 2009 году Shu Zhang et al. представил дизайн и результаты испытаний ультразвуковой линзы из метаматериала для фокусировки звуковых волн 60 кГц (~ 2 см) под водой. [10] Линза была сделана из субволновых элементов, потенциально более компактных, чем фононные линзы, работающие в том же диапазоне частот. [10]

Линза состоит из сети заполненных жидкостью полостей, называемых резонаторами Гельмгольца, которые колеблются на определенных частотах. Подобно сети катушек индуктивности и конденсаторов в электромагнитном метаматериале, конструкция резонаторов Гельмгольца, разработанная Zhang et al. имеют отрицательный динамический модуль для ультразвуковых волн. Точечный источник звука с частотой 60,5 кГц был сфокусирован в точку шириной примерно в половину длины волны, и есть потенциал для дальнейшего улучшения пространственного разрешения. [10] Результат согласуется с моделью линии передачи, в которой получены эффективная массовая плотность и сжимаемость. Эта линза из метаматериала также отображает переменное фокусное расстояние на разных частотах. [30] [31]

Эта линза может улучшить методы акустической визуализации, поскольку пространственное разрешение традиционных методов ограничено длиной волны падающего ультразвука. Это происходит из-за быстро исчезающих исчезающих полей, которые несут субволновые характеристики объектов. [30]

Акустический диод [ править ]

Акустический диод был представлен в 2009 году, который преобразует звук в другую частоту и блокирует обратный поток от исходной частоты. Это устройство может обеспечить большую гибкость при разработке источников ультразвука, подобных тем, которые используются в медицинской визуализации. Предлагаемая конструкция объединяет два компонента: первый - это лист нелинейного акустического материала, скорость звука которого зависит от давления воздуха. Примером такого материала является набор зерен или шариков, который становится более жестким при сжатии. Второй компонент - это фильтр, который пропускает удвоенную частоту, но отражает исходную. [32] [33]

Акустическая маскировка [ править ]

Основная статья: Маскировка из метаматериала

Акустический плащ - это гипотетическое устройство, которое делает объекты непроницаемыми для звуковых волн. Это может быть использовано для строительства звуконепроницаемых домов, современных концертных залов или военных кораблей-невидимок. Идея акустической маскировки состоит в том, чтобы просто отклонить звуковые волны вокруг объекта, который должен быть замаскирован, но реализовать ее было сложно, поскольку необходимы механические метаматериалы . Создание такого метаматериала для звука означает изменение акустических аналогов диэлектрической проницаемости и проницаемости световых волн, которые являются массовой плотностью материала и его упругой постоянной. Исследователи из Уханьского университета , Китай, в статье 2007 года [34] сообщили о метаматериале, который одновременно обладал отрицательным объемным модулем и массовой плотностью.

Лабораторное устройство из метаматериала, применимое к ультразвуковым волнам, было продемонстрировано в 2011 году для длин волн от 40 до 80 кГц. Акустический плащ из метаматериала был разработан, чтобы скрывать предметы, погруженные в воду, искривляющие и изгибающие звуковые волны. Механизм маскировки состоит из 16 концентрических колец в цилиндрической конфигурации, каждое кольцо имеет акустические контуры и свой показатель преломления.. Это заставляет звуковые волны менять свою скорость от звонка к звонку. Звуковые волны распространяются вокруг внешнего кольца, руководствуясь каналами в цепях, которые изгибают волны, чтобы обернуть их вокруг внешних слоев. Это устройство было описано как набор полостей, которые фактически замедляют скорость распространяющихся звуковых волн. Экспериментальный цилиндр был погружен в резервуар, и его заставили исчезнуть из поля зрения сонара. Другие объекты различной формы и плотности также были скрыты от сонара. [31] [35] [36] [37] [38]

Фононные метаматериалы для управления температурой [ править ]

Поскольку фононы ответственны за теплопроводность в твердых телах, акустические метаматериалы могут быть разработаны для управления теплопередачей. [39] [40]

См. Также [ править ]

  • Акустическая дисперсия
  • Маскировка метаматериала
  • Метаматериал
  • Поглотитель из метаматериала
  • Антенны из метаматериала
  • Метаматериалы с отрицательным индексом
  • Фотонные метаматериалы
  • Фотонный кристалл
  • Сейсмические метаматериалы
  • Резонатор с разъемным кольцом
  • Superlens
  • Настраиваемые метаматериалы
  • Трансформационная оптика

Книги

  • Справочник по метаматериалам
  • Метаматериалы: физика и инженерные изыскания

Ученые-метаматериалы

  • Ричард В. Циолковски
  • Джон Пендри
  • Дэвид Р. Смит
  • Надер Энгета
  • Владимир Шалаев

Ссылки [ править ]

  1. ^ Gorishnyy, Тарас, Мартин Maldovan, Чайтанья Ullal, и Эдвин Томас. «Здоровые идеи». Мир физики 18, вып. 12 (2005): 24.
  2. ↑ DT, Emerson (декабрь 1997 г.). «Работа Джагадиса Чандры Боса: 100 лет исследований в области миллиметровых волн». IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (Фонд NSF предоставляет дополнительный материал к исходной статье - Работа Джагадиша Чандры Боса: 100 лет исследований миллиметровых волн ). 45 (12): 2267. Bibcode : 1997ITMTT..45.2267E . DOI : 10.1109 / 22.643830 .
  3. ^ Бозе, Джагадис Чундер (1898-01-01). «О вращении плоскости поляризации электрических волн витой структурой». Труды Королевского общества . 63 (1): 146–152. Bibcode : 1898RSPS ... 63..146C . DOI : 10,1098 / rspl.1898.0019 . S2CID 89292757 . 
  4. ^ а б Надер, Энгета; Ричард В. Циолковски (июнь 2006 г.). Метаматериалы: физика и инженерные изыскания . Wiley & Sons. стр. xv. ISBN 978-0-471-76102-0.
  5. ^ Engheta, Надер (2004-04-29). «Метаматериалы» (Надер Энгета в соавторстве с « Метаматериалы: физика и инженерные изыскания» ) . U Penn Dept. Of Elec. И Sys. Инженерное дело . Лекция. и Мастерская: 99. [ мертвая ссылка ]
  6. ^ Шелби, РА; Смит, Д.Р .; Шульц, С. (2001). «Экспериментальная проверка отрицательного показателя преломления». Наука . 292 (5514): 77–79. Bibcode : 2001Sci ... 292 ... 77S . CiteSeerX 10.1.1.119.1617 . DOI : 10.1126 / science.1058847 . PMID 11292865 . S2CID 9321456 .   
  7. ^ a b c d e е Чжэнъю Лю, Лю; Сисян Чжан; Ивэй Мао; YY Zhu; Чжию Ян; CT Chan; Пинг Шэн (2000). «Локально резонансные звуковые материалы». Наука . 289 (5485): 1734–1736. Bibcode : 2000Sci ... 289.1734L . DOI : 10.1126 / science.289.5485.1734 . PMID 10976063 . 
  8. ^ а б Смит, Д.Р .; Padilla, WJ; Вье, округ Колумбия; Nemat-Nasser, SC; Шульц, S (2000). «Композитная среда с одновременно отрицательной проницаемостью и диэлектрической проницаемостью» (PDF) . Письма с физическим обзором . 84 (18): 4184–7. Bibcode : 2000PhRvL..84.4184S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.84.4184 . PMID 10990641 . Архивировано из оригинального (PDF) 18 июня 2010 года . Проверено 26 сентября 2009 .  
  9. ^ Б с д е е г ч я J K L Ли, Йенсен; CT Чан (2004). «Двойной отрицательный акустический метаматериал» (PDF) . Phys. Rev. E . 70 (5): 055602. Bibcode : 2004PhRvE..70e5602L . DOI : 10.1103 / PhysRevE.70.055602 . PMID 15600684 .  
  10. ^ a b c d Томас, Джессика; Инь, Лейлей; Фанг, Николай (15.05.2009). «Метаматериал фокусирует внимание на звуке». Физика . 102 (19): 194301. arXiv : 0903.5101 . Bibcode : 2009PhRvL.102s4301Z . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.102.194301 . PMID 19518957 . S2CID 38399874 .  
  11. ^ "Новая технология метаматериалов акустической изоляции для авиакосмической промышленности" . Новая технология метаматериалов акустической изоляции для авиакосмической промышленности . Проверено 25 сентября 2017 .
  12. ^ Смит, Дэвид Р. (2006-06-10). «Что такое электромагнитные метаматериалы?» . Новые электромагнитные материалы . Исследовательская группа Д. Р. Смита. Архивировано из оригинального 20 -го июля 2009 года . Проверено 19 августа 2009 .
  13. ^ a b «Плотность» . Энциклопедия Американа . Гролье. В сети. Scholastic Inc. 2009 . Проверено 6 сентября 2009 .[ постоянная мертвая ссылка ]
  14. ^ a b c Генно, Себастьян; Александр Мовчан; Гуннар Петурссон; С. Ананта Рамакришна (2007). «Акустические метаматериалы для фокусировки и удержания звука» (PDF) . Новый журнал физики . 9 (399): 1367–2630. Bibcode : 2007NJPh .... 9..399G . DOI : 10,1088 / 1367-2630 / 9/11/399 .
  15. ^ a b c d Краун, Клиффорд М .; Юн Чжан (2007). Физика материалов с отрицательным преломлением и отрицательным показателем преломления: оптические и электронные аспекты и разнообразные подходы . Нью-Йорк: Springer-Verlag. п. 183 (Глава 8). ISBN 978-3-540-72131-4.
  16. ^ Лавис, Дэвид Энтони; Джордж Макдональд Белл (1999). Статистическая механика решетчатых систем. Том 2 . Нью-Йорк: Springer-Verlag. С. 1–4. ISBN 978-3-540-64436-1.
  17. ^ a b Брулин, Олоф; Ричард Кин Чанг Се (1982). Механика микрополярных сред . Мировая научная издательская компания. С. 3–11. ISBN 978-9971-950-02-6.
  18. ^ a b c d e f Мовчан, AB; С. Генно (2004). «Разрезные кольцевые резонаторы и локализованные моды» (PDF) . Phys. Rev. B . 70 (12): 125116. Bibcode : 2004PhRvB..70l5116M . DOI : 10.1103 / PhysRevB.70.125116 . Архивировано из оригинального (PDF) 22 февраля 2016 года . Проверено 27 августа 2009 .
  19. ^ Ли, Джэ-Хван; Певец, Джонатан П .; Томас, Эдвин Л. (2012). «Микро / наноструктурированные механические метаматериалы» . Современные материалы . 24 (36): 4782–4810. DOI : 10.1002 / adma.201201644 . ISSN 1521-4095 . PMID 22899377 .  
  20. ^ Лу, Мин-Хуэй; Фэн, Лян; Чен, Ян-Фэн (01.12.2009). «Фононные кристаллы и акустические метаматериалы» . Материалы сегодня . 12 (12): 34–42. DOI : 10.1016 / S1369-7021 (09) 70315-3 . ISSN 1369-7021 . 
  21. ^ Эйхенфилд, М., Чан, Дж., Камачо, Р. и др. Оптомеханические кристаллы. Nature 462, 78–82 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08524
  22. ^ a b Звуковые кристаллы создают звуковой барьер . Институт физики . 2000-09-07 . Проверено 25 августа 2009 .
  23. ^ Шелби, РА; Смит, Д.Р .; Nemat-Nasser, SC; Шульц, С. (2001). «Передача микроволн через двумерный изотропный левосторонний метаматериал». Письма по прикладной физике . 78 (4): 489. Bibcode : 2001ApPhL..78..489S . DOI : 10.1063 / 1.1343489 . S2CID 123008005 . 
  24. ^ a b c d Горишный, Тарас; Мартин Мальдован; Чайтанья Уллал; Эдвин Томас (01.12.2005). «Звуковые идеи» . Physicsworld.com . Институт физики . Проверено 5 ноября 2009 .
  25. ^ а б в г Г.П. Шривастава (1990). Физика фононов . CRC Press. ISBN 978-0-85274-153-5.
  26. ^ а б М. Хусейн (2009). «Уменьшенное расширение мод Блоха для периодических расчетов полосовой структуры среды». Труды Королевского общества А . 465 (2109): 2825–2848. arXiv : 0807.2612 . Bibcode : 2009RSPSA.465.2825H . DOI : 10.1098 / rspa.2008.0471 . S2CID 118354608 . 
  27. ^ a b Тростманн, Эрик (2000-11-17). Водопроводная вода как среда гидравлического давления . CRC Press. п. 36. ISBN 978-0-8247-0505-3.
  28. ^ Petrila, Titus; Дамиан Триф (декабрь 2004 г.). Основы механики жидкости и введение в вычислительную гидродинамику . Springer-Verlag New York, LLC. ISBN 978-0-387-23837-1.
  29. ^ а б Дин, Ицюнь; и другие. (2007). «Метаматериал с одновременно отрицательными объемным модулем упругости и массовой плотностью». Phys. Rev. Lett . 99 (9): 093904. Bibcode : 2007PhRvL..99i3904D . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.99.093904 . PMID 17931008 . 
  30. ^ а б Чжан, Шу; Лейлей Инь; Николас Фанг (2009). «Фокусировка ультразвука с помощью акустической сети метаматериалов». Phys. Rev. Lett . 102 (19): 194301. arXiv : 0903.5101 . Bibcode : 2009PhRvL.102s4301Z . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.102.194301 . PMID 19518957 . S2CID 38399874 .  
  31. ^ a b Адлер, Роберт; Акустические метаматериалы. Отрицательное преломление. Защита от землетрясений. (2008). «Акустическая суперлинза может означать более точное ультразвуковое сканирование» . New Scientist Tech . п. 1 . Проверено 12 августа 2009 .
  32. ^ Монро, Дон (2009-08-25). «Одностороннее зеркало для звуковых волн» (синопсис «Акустический диод: выпрямление потока акустической энергии в одномерных системах» Бинь Ляна, Бо Юаня и Цзянь-чун Чэна) . Физический обзор . Американское физическое общество . Проверено 28 августа 2009 .
  33. ^ Ли, Баовэнь; Ванга, Л; Касати, Г. (2004). «Тепловой диод: выпрямление теплового потока». Письма с физическим обзором . 93 (18): 184301. arXiv : cond-mat / 0407093 . Bibcode : 2004PhRvL..93r4301L . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.93.184301 . PMID 15525165 . S2CID 31726163 .  
  34. ^ Дин, Ицюнь; Лю, Чжэнъю; Цю, Чуньинь; Ши, Цзин (2007). «Метаматериал с одновременно отрицательными объемным модулем упругости и массовой плотностью». Письма с физическим обзором . 99 (9): 093904. Bibcode : 2007PhRvL..99i3904D . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.99.093904 . PMID 17931008 . 
  35. ^ Чжан, Шу; Чунгуан Ся; Николас Фанг (2011). «Широкополосный акустический плащ для ультразвуковых волн». Phys. Rev. Lett . 106 (2): 024301. arXiv : 1009.3310 . Bibcode : 2011PhRvL.106s4301Z . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.106.024301 . PMID 21405230 . S2CID 13748310 .  
  36. ↑ Нельсон, Брин (19 января 2011 г.). «Новый метаматериал может сделать подводные лодки невидимыми для гидролокатора» . Обновление защиты . Архивировано из оригинала (онлайн) 22 января 2011 года . Проверено 31 января 2011 .
  37. ^ «Акустическая маскировка может скрывать объекты от сонара» . Информация для машиностроения и машиностроения . Университет Иллинойса (Урбана-Шампейн). 21 апреля 2009 года Архивировано из оригинала (Online) 27 августа 2009 года . Проверено 1 февраля 2011 .
  38. ^ «Недавно разработанный плащ скрывает подводные объекты от сонара» . Новости США - Наука (Интернет). 2011 US News & World Report. 7 января 2011 года Архивировано из оригинального 17 февраля 2011 года . Проверено 1 июня 2011 .
  39. ^ "Фононные метаматериалы для управления температурой: атомистическое вычислительное исследование". Китайский журнал физики об. 49, нет. 1 февраля 2011 г.
  40. ^ Роман, Кальвин Т. "Исследование термического управления и метаматериалов". Air Force Inst. Школы инженерии и менеджмента Tech Wright-Patterson AFB OH , март 2010 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Леонхардт, Ульф; Смит, Дэвид Р. (2008). «Сосредоточьтесь на оптике маскировки и трансформации» . Новый журнал физики . 10 (11): 115019. Bibcode : 2008NJPh ... 10k5019L . DOI : 10.1088 / 1367-2630 / 10/11/115019 .
  • Фанг, Николай; Си, Дунцзюань; Сюй, Цзяньи; Амбати, Муралидхар; Шритураванич, Верают; Сунь, Ченг; Чжан, Сян (2006). «Ультразвуковые метаматериалы с отрицательным модулем упругости» (PDF) . Материалы природы . 5 (6): 452–6. Bibcode : 2006NatMa ... 5..452F . DOI : 10.1038 / nmat1644 . PMID  16648856 . S2CID  11216648 . Архивировано из оригинального (PDF) 23 июня 2010 года.
  • Чжан, Шу; Ся, Чунгуан; Клык, Николай (2011). «Широкополосный акустический плащ для ультразвуковых волн». Письма с физическим обзором . 106 : 024301. arXiv : 1009.3310 . Bibcode : 2011PhRvL.106b4301Z . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.106.024301 . PMID  21405230 .
  • Пендри, JB; Ли, Дженсен (2008). «Акустическая метафлюид: реализация широкополосной акустической оболочки» . Новый журнал физики . 10 (11): 115032. Bibcode : 2008NJPh ... 10k5032P . DOI : 10.1088 / 1367-2630 / 10/11/115032 .
  • Ричард В. Крастер и др.: Акустические метаматериалы: отрицательное преломление, визуализация, линзирование и маскировка. Springer, Dordrecht 2013, ISBN 978-94-007-4812-5 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Фононные кристаллы
  • Материалы с отрицательным показателем преломления
  • Акустическая маскировка