专利名称：一种可调谐的负弹性模量声学超材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种负弹性模量的声学超材料，特别涉及一种可调谐的负弹性模量声学超材料。
背景技术：
左手材料是指ー类由电和磁谐振単元在空间周期性排列的人工煤质，其奇特的波动性质更是极大地吸引着人们的研究兴趣，如亚波长成像、负折射、平板聚焦效应、反常多普勒效应、隐身和完美透镜效应等等。在电磁学领域，将周期排列开ロ谐振环(SRRs)和金属杆的两种结构组合在一起，可以得到同时具有负磁导率和介电常数的左手材料。由于电磁波和声波的相似性，从理论和实验上都证实声学超材料能展现出负的弹性模量或负的质量密度。具有负的质量密度的声学超材料一般是通过弹簧振子系统或薄膜实现的。另一方面，负弹性模量的超材料是由亥姆霍兹共振器或开ロ空心球制备得到。目前，双负的声学超材料是由耦合负弹性模量和负质量密度的结构来构建。然而，ー种具有单频响应特点的负结构很难与另一种负的结构耦合，因此，制备ー种可调频的负声学超材料成为当前首要解决的问题。最近，我们课题组制备出一种ニ维负弹性模量声学超材料，它是由开ロ空心球 (SHS)周期性排列于海绵基底中构成。现在进一步证实通过改变SHS的几何尺寸能极大地影响共振频率。本发明提出了一种可调谐的负弹性模量超材料，它是通过变化SHS内部的介质组分来轻松调节共振频率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于SHS的可调谐的负弹性模量声学超材料。其结构单元为SHS，通过改变SHS的内部组分，即改变由水与空气构成的复合介质组分，可调节声波发生谐振的频段，从而实现具有负弹性模量材料的可调谐性。由于本发明所提供的调谐方法简单，可以方便地实现不同频段的谐振，使得此类负弾性模量更易与负质量密度的超材料耦合，为进一歩制备双负声学超材料提供了重要的參考。
图1声学超材料的结构示意2SHS的内部介质示意3开ロ孔径为2. 5mm SHS在不同复合介质成份下的透射率曲线图4装有直径2mm的钢球，开ロ孔径为4mm SHS的透射率曲线图5装有1个2mm钢球，开ロ孔径为2. 5mm SHS在不同复合介质成份下的透射率曲线
具体实施方式
本发明的声学超材料是由商业级的直径为10mm，壁厚为0. 5mm的聚苯乙烯塑料空心球与圆柱形海绵组成，其中利用机械钻孔技术在空心球ー侧钻直径分别为2. 5mm和4mm 的孔洞，海绵直径30mm，厚25mm。将制备的开ロ空心球排列在海绵基底中央，而SHS的内部分別存在4种介质情况1只有空气的介质；2空气与添加的水的复合介质；3添加的钢球和空气的复合介质；4添加的钢球和水与空气的复合介质。本发明是通过改变水的含量来实现调控SHS的声学透射行为，以此达到调谐的目的。另外，通过在SHS中添加钢球后，改变水的体积百分数相同的基础上，可使得SHS的调谐范围加宽。下面结合实施例及附图对本发明作进ー步详细说明实施例一首先利用机械钻孔技术在直径为10mm，壁厚为0. 5mm的聚苯乙烯塑料空心球一侧钻直径为2. 5mm的孔洞；其次制备直径30mm，厚25mm的海绵作为基底；最后将制备的开ロ空心球放置在海绵基底中央，这样就制得了 SHS声学超材料，正如图1所示。另外，开 ロ空心球的内部介质见图2(a)，水的含量为0νΟ1%。这种超材料的声波透射曲线如图3所示。实施例ニ首先利用机械钻孔技术在直径为10mm，壁厚为0. 5mm的聚苯乙烯塑料空心球一侧钻直径为2. 5mm的孔洞；其次制备直径30mm，厚25mm的海绵作为基底；最后将制备的开ロ空心球放置在海绵基底中央，这样就制得了 SHS声学超材料，正如图1所示。另外，开 ロ空心球的内部介质见图2(b)，水的含量为62. 5Vol%。这种超材料的声波透射曲线如图 3所示。实施例三首先利用机械钻孔技术在直径为10mm，壁厚为0. 5mm的聚苯乙烯塑料空心球一侧钻直径为4mm的孔洞；其次制备直径30mm，厚25mm的海绵作为基底；最后将制备的开 ロ空心球放置在海绵基底中央，这样就制得了 SHS声学超材料，正如图1所示。另外，开ロ空心球的内部介质见图2(a)，水的含量为0Vol%。这种超材料的声波透射曲线如图4所示。实施例四首先利用机械钻孔技术在直径为10mm，壁厚为0. 5mm的聚苯乙烯塑料空心球一侧钻直径为4mm的孔洞；其次制备直径30mm，厚25mm的海绵作为基底；接着将直径为 2mm的钢球添加到开ロ空心球中；最后将制备的SHS放置在海绵基底中央，这样就制得了开ロ空心球声学超材料，正如图1所示。另外，开ロ空心球的内部介质见图2(c)，水的含量为Ovol%。这种超材料的声波透射曲线如图4所示。实施例五首先利用机械钻孔技术在直径为10mm，壁厚为0. 5mm的聚苯乙烯塑料空心球一侧钻直径为2. 5mm的孔洞；其次制备直径30mm，厚25mm的海绵作为基底；接着将直径为 2mm的钢球添加到开ロ空心球中；最后将制备的SHS放置在海绵基底中央，这样就制得了开ロ空心球声学超材料，正如图1所示。另外，开ロ空心球的内部介质见图2(c)，水的含量为Ovol%。这种超材料的声波透射曲线如图5所示。实施例六首先利用机械钻孔技术在直径为10mm，壁厚为0. 5mm的聚苯乙烯塑料空心球一侧钻直径为2. 5mm的孔洞；其次制备直径30mm，厚25mm的海绵作为基底；接着将直径为 2mm的钢球添加到开ロ空心球中；最后将制备的SHS放置在海绵基底中央，这样就制得了开ロ空心球声学超材料，正如图1所示。另外，开ロ空心球的内部介质见图2(d)，水的含量为62. 5Vol%。这种超材料的声波透射曲线如图5所示。 以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利覆盖的范围内。
权利要求
1.ー种基于开ロ空心球的可调谐负弹性模量声学超材料，其结构单元为聚丙烯塑料开 ロ空心球，基底为海绵，主要特征是通过改变开ロ空心球和内部的介质组分实现大幅调节谐振频率。
2.如权利要求1所述基于开ロ空心球的负弹性模量声学超材料，其特征是只在海绵基底中央放置1个直径为10mm，壁厚为0. 5mm的开ロ空心球，开ロ孔洞直径d = 1 2. 5mm, 并且开ロ空心球的开ロ方向正对着声学超材料的入射面。
3.如权利要求2所述基于开ロ空心球的可调谐负弹性模量声学超材料，其特征是通过改变孔洞直径2. 5mm的开ロ空心球中水的体积百分比0% 62. 5%，可调节谐振频率范围大约为 3300Hz 4700Hzο
4.如权利要求2所述基于开ロ空心球的可调谐负弹性模量声学超材料，其特征是通过在孔洞直径4mm的开ロ空心球中添加2mm的钢球，可使谐振频率从5230Hz红移至4900Hz。
5.如权利要求2所述基于开ロ空心球的可调谐负弹性模量声学超材料，其特征是通过改变孔洞直径2. 5mm且内含ー个2mm钢球的开ロ空心球中水的体积百分比0% 62. 5%， 可调节谐振频率范围大约为3300Hz 5000Hz。
6.如权利要求1所述基于开ロ空心球的可调谐负弹性模量声学超材料，其制备方法包括以下步骤(1)利用机械钻孔技术在直径为10mm，壁厚为0.5mm的聚苯乙烯塑料空心球一侧钻直径为2. 5 4mm的孔洞；(2)将直径为2mm的钢球添加到开ロ空心球中；(3)制备直径30mm，厚25mm的海绵作为基底；(4)把制备的开ロ空心球放置在海绵基底中央，在开ロ空心球的内部填充0 62. 5vol%的水。
全文摘要
本发明涉及一种基于开口空心球的负弹性模量声学超材料，特别涉及一种可调谐的负弹性模量声学超材料。其结构单元为开口空心球(SHS)结构，通过改变SHS内部组分，即改变由水与空气构成的复合介质组分可调节声波发生谐振的频段，从而实现具有负弹性模量材料的可调谐性。另外，通过在开口空心球中添加钢球后，在改变水的体积百分数相同基础上，发现SHS的可调谐范围加宽。本发明所提供的调谐方法简单，可以方便实现不同频段的谐振。
文档编号G10K11/162GK102568466SQ20101059060
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者丁昌林, 赵晓鹏, 郝丽梅 申请人:西北工业大学