专利名称：一种基于开口空心球的负弹性模量声学超材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种负弹性模量的声学超材料，特别涉及一种基于开口空心球共振微结构的声学超材料。
背景技术：
在电磁学领域，作为一种人工周期复合结构材料，左手材料 (left-handed metamaterials)已经成为研究热点。这种材料的介电常数和磁导率同时为负，具有许多奇特的电磁学性能，如负折射，完美透镜，反常Doppler效应、反常Cherenkov 效应等，对研制超分辨光学仪器，探测器，隐身材料，微波器件等方面有着重要应用价值。由于电磁波和声波的可类比性，在声学领域实现等效质量密度和弹性模量同时为负的声学超材料(acoustic metamaterials)已经成为声学发展的迫切需要。声学超材料也是一种人工周期复合结构材料，其在一定频率范围内等效质量密度和弹性模量单一为负或同时为负。当声波在材料内部传播时，材料中的声媒质声压和质点振动速度响应与声波的激励不同步，表现出许多奇特声学性质。如亚波长成像，声波准直，隐身等。随着局域共振思想的提出，目前仅能从理论上模拟仿真双负的声学超材料。虽然实验中分别制备了基于核壳结构的负质量密度声学超材料和基于一维亥姆霍兹共振器的负弹性模量声学超材料，然而， 一维亥姆霍兹共振器很难和其他结构耦合，使得双负声学超材料的实现成为一个难点。开口空心球是一种简单的共振微结构，可以直接将聚丙烯空心球经过机械钻孔制得。将这种结构周期性排列于海绵基底中制备的声学超材料具有负的弹性模量，且耦合性好，如果在海绵基底中排列具有负质量密度的微结构，有可能实现等效质量密度和弹性模量同时为负的双负声学超材料。发明内容本发明的目的是提供一种基于开口空心球的负弹性模量声学超材料。其结构单元为开口空心球结构。通过结构参数设计，使声波在特定频段发生谐振，从而实现材料的负弹性模量。由于本发明中声学超材料的单元仅为单一的开口空心球结构，其机械加工工艺十分简便，材料的制备也非常简单；通过改变微结构的几何尺寸来实现不同频段的声学超材料，将不同尺寸微结构的声学超材料耦合在一起可以实现宽频带的声学超材料。 这些都为实现双负声学超材料提供了重要参考。
图1单一结构的开口空心球声学超材料图2实施例一开口空心球声学超材料结构示意3实施例一开口空心球声学超材料声波透射率和透射相位4实施例二开口空心球声学超材料结构示意5实施例一开口空心球声学超材料声波透射率和透射相位6实施例三开口空心球声学超材料结构示意7实施例四双层开口空心球声学超材料结构示意图具体实施方式
采用中空吹塑成型技术，利用聚丙烯塑料制备直径为D = IOmm 25mm的空心球，制备的空心球壁厚t = 0. 5 Imm ；然后在空心球一侧利用机械钻孔技术打上直径为Imm 6mm的圆形孔洞。同时制备直径为30 100mm，厚度为20 40mm圆柱形结构的海绵基底。将制备的开口空心球排列在海绵基底中，单元间隔a = Ilmm 50mm，制得单层开口空心球声学超材料。若将两片单层开口空心球声学超材料按间距40mm排列，即制备三维声学超材料。本发明的实现过程和材料的性能由实施例和
实施例一采用中空吹塑成型技术，利用聚丙烯塑料制备直径为D = 25mm的空心球，制备的空心球壁厚t = Imm ；然后在空心球一侧利用机械钻孔技术打上直径为5mm的圆形孔洞。同时制备直径为100mm，厚度为40mm圆柱形结构的海绵基底。将制备的开口空心球排列在海绵基底中，单元间隔a = 30mm,制得单层开口空心球声学超材料如图2所示。这种单层开口空心球声学超材料的声波透射曲线如图3所示。实施例二采用中空吹塑成型技术，利用聚丙烯塑料制备直径为D = IOmm的空心球，制备的空心球壁厚t = 0. 5mm ；然后在空心球一侧利用机械钻孔技术打上直径为4mm的圆形孔洞。 同时制备直径为30mm，厚度为20mm圆柱形结构的海绵基底。将制备的开口空心球排列在海绵基底中，单元间隔a= 11mm，制备单层开口空心球声学超材料如图4所示。这种单层开口空心球声学超材料的声波透射曲线如图5所示。实施例三采用中空吹塑成型技术，利用聚丙烯塑料制备直径为D = 25mm的空心球，制备的空心球壁厚t = Imm ；然后在空心球一侧利用机械钻孔技术打上直径为6mm的圆形孔洞。同时制备直径为100mm，厚度为40mm圆柱形结构的海绵基底。将制备的开口空心球排列在海绵基底中，单元间隔a = 50mm，制得单层开口空心球声学超材料如图6所示。实施例四采用中空吹塑成型技术，利用聚丙烯塑料制备直径为D = 25mm的空心球，制备的空心球壁厚t = Imm ；然后在空心球一侧利用机械钻孔技术打上直径为6mm的圆形孔洞。同时制备直径为100mm，厚度为40mm圆柱形结构的海绵基底。将制备的开口空心球排列在海绵基底中，单元间隔a = 30mm,制得单层开口空心球声学超材料；将两片单层开口空心球声学超材料按间距40mm排列，即制备开口空心球声学超材料的块状材料如图7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
1.一种基于开口空心球的负弹性模量声学超材料，其主要特征是结构单元为聚丙烯塑料开口空心球，基底为海绵，开口空心球在海绵基底中嵌入式排列成阵列。
2.如权利要求1所述基于开口空心球的负弹性模量声学超材料，其特征是开口空心球结构单元阵列的单元间隔a = 11 50mm，开口空心球的直径D = IOmm 25mm，壁厚t = 0. 5 1mm，开口孔洞直径d = Imm 6mm，通过改变开口空心球的几何尺寸，可调节谐振频率范围为IOOOHz 5000Hzο
3.如权利要求1所述基于开口空心球的负弹性模量声学超材料，其特征是开口空心球阵列的开口方向正对着声学超材料的入射面。
4.如权利要求1所述基于开口空心球的负弹性模量声学超材料，其特征是制备工艺可以分成以下两种(1)采用中空吹塑成型技术制备塑料空心球，在塑料空心球一侧钻孔加工一定直径的孔洞，制得开口空心球单元；将开口空心球单元周期性排列在厚度为20mm或40mm圆柱形结构的海绵基底中，制备单层基于开口空心球负弹性模量声学超材料；(2)将相同尺寸的单层开口空心球负弹性模量声学超材料紧密堆积，将两片单层开口空心球声学超材料按间距40mm排列，制备多层基于开口空心球负弹性模量声学超材料的块状材料。
全文摘要
本发明涉及一种负弹性模量的声学超材料，特别涉及一种由开口空心球结构单元构成的声学超材料。本发明所述超材料，由开口空心球作为结构单元。通过调节开口空心球结构的几何参数，使得材料在1000～5000Hz的声波频率范围内实现负等效弹性模量。与以往负弹性模量声学超材料相比，本发明所述的开口空心球声学超材料的结构单元具有很好的耦合性，可以在材料中加入负质量密度的微结构单元，有望实现弹性模量和质量密度同时为负的双负声学超材料。
文档编号G10K11/172GK102314869SQ20101022119
公开日2012年1月11日 申请日期2010年7月8日 优先权日2010年7月8日
发明者丁昌林, 赵晓鹏 申请人:西北工业大学