Акустический метаматериал

Материал, предназначенный для управления звуковыми волнами

Акустический метаматериал , звуковой кристалл или фононный кристалл — это материал, предназначенный для управления, направления и манипулирования звуковыми волнами или фононами в газах , жидкостях и твердых телах ( кристаллические решетки ). Управление звуковыми волнами осуществляется посредством манипулирования такими параметрами, как объемный модуль упругости β , плотность ρ и хиральность . Они могут быть спроектированы для передачи или улавливания и усиления звуковых волн на определенных частотах. В последнем случае материал является акустическим резонатором .

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 инженерии запрещенных зон: акустические метаматериалы могут быть спроектированы таким образом, 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, которые исследуют квантовую механику . Важными разделами физики и техники, которые в значительной степени полагаются на акустические метаматериалы, являются исследования материалов с отрицательным показателем преломления и (квантовая) оптомеханика .

Произведение искусства "Органо" скульптора Эусебио Семпере является крупномасштабным примером фононного кристалла: он состоит из периодического массива цилиндров в воздухе ('метаматериал' или 'кристаллическая структура'), а его размеры и рисунок спроектированы таким образом, что звуковые волны на частоте 1670 Гц сильно ослабляются. Это стало первым доказательством существования фононных запрещенных зон в периодических структурах. ^[1]

История

Акустические метаматериалы были разработаны на основе исследований и открытий в области метаматериалов . Новый материал был первоначально предложен Виктором Веселаго в 1967 году, но реализован лишь 33 года спустя. 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 и материальные отклики. Исследования в области акустических метаматериалов преследуют ту же цель — более широкие материальные отклики со 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] За этим последовало перенесение поведения разрезного кольцевого резонатора на исследования акустических метаматериалов. ^[8] После этого были получены двойные отрицательные параметры (отрицательный объемный модуль упругости β _eff и отрицательная плотность ρ _eff ) с помощью этого типа среды. ^[9] Затем группа исследователей представила конструкцию и результаты испытаний ультразвуковой метаматериальной линзы для фокусировки 60 кГц. ^[10]

Акустическая инженерия обычно занимается контролем шума , медицинским ультразвуком , сонаром , воспроизведением звука и тем, как измерить некоторые другие физические свойства с помощью звука. С помощью акустических метаматериалов направление звука через среду можно контролировать, манипулируя акустическим показателем преломления. Таким образом, возможности традиционных акустических технологий расширяются, например, в конечном итоге позволяя скрывать определенные объекты от акустического обнаружения.

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

Основные принципы

Свойства акустических метаматериалов обычно определяются структурой, а не составом, с помощью таких методов, как контролируемое создание небольших неоднородностей для реализации эффективного макроскопического поведения. ^{[4] [12]}

Модуль объемной упругости и плотность массы

Модуль объемной упругости - иллюстрация равномерного сжатия

Модуль объемной упругости β является мерой сопротивления вещества всестороннему сжатию. Он определяется как отношение увеличения давления , необходимое 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/см3 ⁾ . ^[13] Во всех трех классических состояниях вещества — газе, жидкости или твердом теле — плотность меняется в зависимости от изменения температуры или давления, причем газы наиболее восприимчивы к этим изменениям. Спектр плотностей широк: от 1015 ^г /см3 ^для нейтронных звезд , 1,00 г/см3 ^для воды, до 1,2×10−3 ^г /см3 ^для воздуха. ^[13] Другими соответствующими параметрами являются площадная плотность , которая представляет собой массу на (двумерную) площадь, линейная плотность — массу на одномерную линию, и относительная плотность , которая представляет собой плотность, деленную на плотность эталонного материала, такого как вода.

Для акустических материалов и акустических метаматериалов как объемный модуль упругости, так и плотность являются компонентными параметрами, которые определяют их показатель преломления. Акустический показатель преломления аналогичен концепции, используемой в оптике , но он касается волн давления или сдвига , а не электромагнитных волн .

Теоретическая модель

Сравнение 1D, 2D и 3D фононных кристаллических структур, где метаматериал демонстрирует периодическое изменение скорости звука в 1, 2 и 3 измерениях (слева направо соответственно).

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

Простейшая реализация акустического метаматериала будет представлять собой распространение волны давления через пластину с периодически изменяемым показателем преломления в одном измерении. В этом случае поведение волны через пластину или «стопку» можно предсказать и проанализировать с помощью матриц переноса . Этот метод повсеместно используется в оптике, где он используется для описания световых волн, распространяющихся через распределенный брэгговский отражатель .

Акустические метаматериалы с отрицательным показателем преломления

В определенных диапазонах частот эффективная плотность массы и объемный модуль упругости могут стать отрицательными. Это приводит к отрицательному показателю преломления . Фокусировка плоской пластиной , которая может привести к сверхразрешению , похожа на электромагнитные метаматериалы. 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, когда звуковые волны взаимодействуют с акустическими метаматериалами (ниже): ^[15]

${\displaystyle n^{2}={\frac {\rho }{\beta }}}$

Неотъемлемыми параметрами среды являются плотность массы ρ , объемный модуль β и хиральность k . Хиральность, или направленность, определяет полярность распространения волны ( волновой вектор ). Следовательно, в последнем уравнении возможны решения типа Веселаго (n ² = u *ε) для распространения волны, поскольку отрицательное или положительное состояние ρ и β определяет прямое или обратное распространение волны. ^[15]

В электромагнитных метаматериалах отрицательная диэлектрическая проницаемость может быть обнаружена в естественных материалах. Однако отрицательная проницаемость должна быть намеренно создана в искусственной среде передачи . Для акустических материалов ни отрицательная ρ , ни отрицательная β не обнаружены в природных материалах; ^[15] они выводятся из резонансных частот искусственно созданной среды передачи, и такие отрицательные значения являются аномальным откликом. Отрицательная ρ или β означает, что на определенных частотах среда расширяется при сжатии (отрицательный модуль) и ускоряется влево при сжатии вправо (отрицательная плотность). ^[15]

Электромагнитное поле против акустического поля

Электромагнитный спектр простирается от низких частот, используемых в современном радио, до гамма -излучения на коротковолновом конце, охватывая длины волн от тысяч километров до долей размера атома. Для сравнения, инфразвуковые частоты находятся в диапазоне от 20 Гц до 0,001 Гц, слышимые частоты — от 20 Гц до 20 кГц, а ультразвуковой диапазон — выше 20 кГц.

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

Механика решетчатых волн

В жесткой решетчатой ​​структуре атомы оказывают друг на друга силу, сохраняя равновесие. Большинство этих атомных сил, таких как ковалентные или ионные связи , имеют электрическую природу. Магнитная сила и сила тяжести незначительны. ^[16] Из-за связи между ними смещение одного или нескольких атомов из их положений равновесия приводит к появлению набора вибрационных волн, распространяющихся через решетку. Одна из таких волн показана на рисунке справа. Амплитуда волны определяется смещением атомов из их положений равновесия. Длина волны λ отмечена. ^[17]

Существует минимально возможная длина волны, заданная равновесным разделением a между атомами. Любая длина волны короче этой может быть отображена на большую длину волны из-за эффектов, похожих на наложение . ^[17]

Исследования и приложения

Приложения исследований акустических метаматериалов включают технологии отражения сейсмических волн и контроля вибрации , связанные с землетрясениями , а также точное зондирование . ^{[14] [7] [18]} Фононные кристаллы могут быть спроектированы 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 могут быть точно настроены (например, посредством микропроизводства ). По этой причине они представляют собой потенциальный испытательный стенд для фундаментальной физики и квантовых технологий . ^{[19] [20]} Они также имеют множество инженерных приложений, например, они широко используются в качестве механического компонента в оптомеханических системах. ^[21]

Звуковые кристаллы

В 2000 году исследования Лю и др. проложили путь к акустическим метаматериалам через звуковые кристаллы , которые демонстрируют спектральные щели на два порядка меньше длины волны звука. Спектральные щели препятствуют передаче волн на заданных частотах. Частоту можно настроить на желаемые параметры, изменяя размер и геометрию. ^[7]

Изготовленный материал состоял из высокоплотных твердых свинцовых шариков в качестве ядра, размером один сантиметр и покрытых слоем резинового силикона толщиной 2,5 мм . Они были расположены в кубической кристаллической решетке 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 пластина поглощала звук, который обычно требовал бы гораздо более толстого материала, на частоте 400 Гц. Падение амплитуды наблюдалось на частотах 400 и 1100 Гц. ^{[7] [22]}

Амплитуды звуковых волн, входящих в поверхность, сравнивались со звуковыми волнами в центре структуры. Колебания покрытых сфер поглощали звуковую энергию, что создавало частотный зазор; звуковая энергия поглощалась экспоненциально по мере увеличения толщины материала. Ключевым результатом была отрицательная упругая константа, созданная из резонансных частот материала.

Прогнозируемое применение звуковых кристаллов – отражение сейсмических волн и ультразвук. ^{[7] [22]}

Кольцевые резонаторы для акустических метаматериалов

Медные разрезные кольцевые резонаторы и провода, установленные на взаимосвязанных листах стекловолоконной печатной платы. Разрезной кольцевой резонатор состоит из внутреннего квадрата с разрезом на одной стороне, вставленного во внешний квадрат с разрезом на другой стороне. Разрезные кольцевые резонаторы находятся на передней и правой поверхностях квадратной сетки, а одиночные вертикальные провода — на задней и левой поверхностях. ^{[8] [23]}

В 2004 году резонаторы с разделенными кольцами (SRR) стали объектом исследования акустических метаматериалов. Анализ характеристик запрещенной зоны частот, полученных из присущих им ограничивающих свойств искусственно созданных SRR, проводился параллельно с анализом звуковых кристаллов. Свойства запрещенной зоны SRR были связаны со свойствами запрещенной зоны звуковых кристаллов. 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 локально резонансные элементы и упругие модули , которые работают в определенном диапазоне частот. Элементы, которые взаимодействуют и резонируют в своей соответствующей локализованной области, встроены во весь материал. В акустических метаматериалах локально резонансные элементы будут взаимодействием одной резиновой сферы размером 1 см с окружающей жидкостью. Значения частот заграждения и запрещенной зоны можно контролировать, выбирая размер, типы материалов и интегрируя микроскопические структуры, которые управляют модуляцией частот. Затем эти материалы способны экранировать акустические сигналы и ослаблять эффекты антиплоских сдвиговых волн. Экстраполируя эти свойства на более крупные масштабы, можно создать фильтры сейсмических волн (см. Сейсмические метаматериалы ). ^[18]

Массивные метаматериалы могут создавать фильтры или поляризаторы электромагнитных или упругих волн . Разработаны методы, которые можно применять для двумерного контроля полосы заграждения и запрещенной зоны с помощью фотонных или звуковых структур. ^[18] Подобно изготовлению фотонных и электромагнитных метаматериалов, звуковой метаматериал встроен с локализованными источниками массовой плотности ρ и параметрами объемного модуля β, которые аналогичны диэлектрической проницаемости и проницаемости соответственно. Звуковые (или фононные) метаматериалы представляют собой звуковые кристаллы. Эти кристаллы имеют твердое свинцовое ядро ​​и более мягкое, более эластичное силиконовое покрытие. ^[7] Звуковые кристаллы имеют встроенные локализованные резонансы из-за покрытых сфер, что приводит к почти плоским дисперсионным кривым. Мовчан и Генно проанализировали и представили низкочастотные запрещенные зоны и локализованные волновые взаимодействия покрытых сфер. ^[18]

Этот метод может быть использован для настройки запрещенных зон, присущих материалу, и для создания новых низкочастотных запрещенных зон. Он также применим для проектирования низкочастотных фононных кристаллических волноводов. ^[18]

Фононные кристаллы

Фононные кристаллы — это синтетические материалы, образованные периодическим изменением акустических свойств материала (то есть, упругости и массы). Одним из их основных свойств является возможность наличия фононной запрещенной зоны. Фононный кристалл с фононной запрещенной зоной предотвращает передачу фононов выбранных диапазонов частот через материал . [ ^{24] [25]}

Чтобы получить структуру полосы частот фононного кристалла, теорема Блоха применяется к одной элементарной ячейке в пространстве обратной решетки ( зона Бриллюэна ). Для этой задачи доступно несколько численных методов, таких как метод разложения плоских волн , метод конечных элементов и метод конечных разностей . ^[26]

Для ускорения расчета структуры полосы частот можно использовать метод сокращенного расширения мод Блоха (RBME). ^[26] RBME применяется «поверх» любого из основных численных методов расширения, упомянутых выше. Для моделей с большими элементарными ячейками метод RBME может сократить время расчета структуры полосы на два порядка.

Основа фононных кристаллов восходит к Исааку Ньютону, который представлял, что звуковые волны распространяются в воздухе таким же образом, как упругая волна распространяется вдоль решетки точечных масс , соединенных пружинами с упругой постоянной силы E. Эта силовая постоянная идентична модулю 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 несоответствие импеданса между периодическими элементами, составляющими кристалл и окружающую среду. Когда продвигающийся волновой фронт встречает материал с очень высоким импедансом, он будет стремиться увеличить свою фазовую скорость через эту среду. Аналогично, когда продвигающийся волновой фронт встречает среду с низким импедансом, он будет замедляться. Эта концепция может быть использована с периодическими расположениями несогласованных по импедансу элементов для воздействия на акустические волны в кристалле. ^{[24] [25]}

Положение запрещенной зоны в частотном пространстве для фононного кристалла контролируется размером и расположением элементов, составляющих кристалл. Ширина запрещенной зоны, как правило, связана с разницей в скорости звука (из-за разницы импеданса) через материалы, которые образуют композит. ^{[24] [25]} Фононные кристаллы эффективно снижают низкочастотный шум, поскольку их локально резонансные системы действуют как фильтры пространственных частот. Однако они имеют узкие запрещенные зоны, накладывают дополнительный вес на первичную систему и работают только в скорректированном диапазоне частот. Для расширения запрещенных зон элементарные ячейки должны быть большого размера или содержать плотные материалы. В качестве решения недостатков, упомянутых выше фононных кристаллов, ^[27] предлагает новую трехмерную легкую возвратную метаструктуру, состоящую из крестообразного рассеивателя пучка, встроенного в основную пластину с отверстиями на основе метаматериала с квадратной решеткой. Объединив механизм сетей повторного входа и теорию Флоке-Блоха на основе теории крестообразной балки и механизма перфорации, было продемонстрировано, что такая легкая фононная структура может фильтровать упругие волны в широком диапазоне частот (а не только в определенной узкой области), одновременно значительно снижая вес конструкции.

Двойной отрицательный акустический метаматериал

Синфазные волны

Несовпадающие по фазе волны

Слева: действительная часть плоской волны, движущейся сверху вниз. Справа: та же волна после того, как центральный участок претерпел сдвиг фазы, например, пройдя через неоднородности метаматериала , толщина которых отличается от толщины других частей. (Иллюстрация справа игнорирует эффект дифракции , влияние которой 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 построить композитные акустические материалы со встроенными резонансами, так что две эффективные функции отклика являются отрицательными в пределах возможностей или диапазона среды передачи . ^[9]

Плотность массы ρ и объемный модуль β зависят от положения. Используя формулировку плоской волны, волновой вектор равен: ^[9]

${\displaystyle {\vec {k}}={\frac {\ |n|\omega }{c}}.\,}$

С угловой частотой, представленной как ω , и c , являющейся скоростью распространения акустического сигнала через однородную среду . При постоянной плотности и объемном модуле как составляющих среды, показатель преломления выражается как n ² = ρ / β. Для того чтобы развить распространяющуюся плоскую волну через материал, необходимо, чтобы и ρ, и β были либо положительными, либо отрицательными. ^[9]

При достижении отрицательных параметров математический результат вектора Пойнтинга находится в противоположном направлении волнового вектора . Это требует отрицательности в объемном модуле и плотности. Природные материалы не имеют отрицательной плотности или отрицательного объемного модуля, но отрицательные значения математически возможны и могут быть продемонстрированы при диспергировании мягкой резины в жидкости. ^{[9] [28] [29]} ${\displaystyle \scriptstyle {\overleftarrow {s}}}$ ${\displaystyle \scriptstyle {\overrightarrow {k}}}$

Даже для композитных материалов эффективный объемный модуль упругости и плотность должны быть обычно ограничены значениями составляющих, т. е. выводом нижних и верхних границ для упругих модулей среды. Ожидание положительного объемного модуля упругости и положительной плотности является внутренним. Например, диспергирование сферических твердых частиц в жидкости приводит к соотношению, регулируемому удельным весом при взаимодействии с длинной акустической длиной волны (звуком). Математически можно доказать, что β _eff и ρ _eff определенно положительны для природных материалов. ^{[9] [28]} Исключение происходит на низких резонансных частотах. ^[9]

В качестве примера, акустическая двойная отрицательность теоретически продемонстрирована с помощью композита из мягких силиконовых резиновых сфер, взвешенных в воде. ^[9] В мягкой резине звук распространяется гораздо медленнее, чем в воде. Высокий контраст скоростей звука между резиновыми сферами и водой позволяет передавать очень низкие монополярные и дипольные частоты. Это аналог аналитического решения для рассеяния электромагнитного излучения или электромагнитного плоского рассеяния волн сферическими частицами - диэлектрическими сферами. ^[9]

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

Это поведение аналогично низкочастотным резонансам, создаваемым в SRR (электромагнитный метаматериал). Провода и разрезные кольца создают собственный электрический дипольный и магнитный дипольный отклик. С этим искусственно сконструированным акустическим метаматериалом из резиновых сфер и воды только одна структура (вместо двух) создает низкочастотные резонансы для достижения двойной отрицательности. ^[9] При монополярном резонансе сферы расширяются, что создает фазовый сдвиг между волнами, проходящими через резину и воду. Это создает отрицательный отклик. Дипольный резонанс создает отрицательный отклик, такой что частота центра масс сфер не совпадает по фазе с волновым вектором звуковой волны (акустическим сигналом). Если эти отрицательные отклики достаточно велики, чтобы компенсировать фоновую жидкость, можно иметь как отрицательный эффективный объемный модуль упругости, так и отрицательную эффективную плотность. ^[9]

Как плотность массы, так и обратная величина объемного модуля уменьшаются по величине достаточно быстро, чтобы групповая скорость стала отрицательной (двойная отрицательность). Это приводит к желаемым результатам отрицательной рефракции. Двойная отрицательность является следствием резонанса и результирующих свойств отрицательной рефракции.

Метаматериал с одновременно отрицательными модулем объемной упругости и плотностью массы

В 2007 году был опубликован метаматериал, который одновременно обладает отрицательным модулем объемной упругости и отрицательной плотностью массы. Этот метаматериал представляет собой структуру цинковой обманки, состоящую из одного fcc- массива пузырьков воды (BWS) и другого относительно смещенного fcc-массива резино-покрытых золотых сфер (RGS) в специальной эпоксидной смоле. ^[30]

Отрицательный объемный модуль достигается посредством монополярных резонансов серии BWS. Отрицательная плотность массы достигается посредством дипольных резонансов серии золотых сфер. Вместо резиновых сфер в жидкости, это материал на твердой основе. Это также пока реализация одновременно отрицательного объемного модуля и плотности массы в материале на твердой основе, что является важным отличием. ^[30]

Двойные С-резонаторы

Двойные C-резонаторы (DCR) представляют собой кольца, разрезанные пополам, которые могут быть расположены в конфигурациях с несколькими ячейками, 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. Это аналогично 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 сдвиговыми волнами, направленными под углами к плоскости цилиндров. ^[14]

Фононная запрещенная зона возникает в связи с резонансом кольца разрезного цилиндра. Фононная запрещенная зона существует в диапазоне нормализованных частот. Это происходит, когда включение движется как твердое тело . Конструкция DCR создала подходящую полосу с отрицательным наклоном в диапазоне частот. Эта полоса была получена путем гибридизации мод 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,
• плоская пластина метаматериала может отображать источник через пластину подобно линзе Веселаго,
• изображение, сформированное плоской пластиной, имеет значительное субволновое разрешение изображения, и
• двойной угол метаматериала может действовать как открытый резонатор для звука.

Акустическая метаматериальная суперлинза

В 2009 году Шу Чжан и др. представили конструкцию и результаты испытаний ультразвуковой метаматериальной линзы для фокусировки звуковых волн частотой 60 кГц (длина волны ~2 см) под водой. ^[10] Линза была изготовлена ​​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 индукторов и конденсаторов в электромагнитном метаматериале, расположение полостей Гельмгольца, разработанное Чжаном и др., имеет отрицательный динамический модуль для ультразвуковых волн. Точечный источник звука 60,5 кГц был сфокусирован в пятно шириной примерно в половину длины волны, и есть потенциал для дальнейшего улучшения пространственного разрешения. ^[10] Результат согласуется с моделью линии передачи, которая вывела эффективную плотность массы и сжимаемость. Эта метаматериальная линза также демонстрирует переменное фокусное расстояние на разных частотах. ^{[31] [32]}

Эта линза могла бы улучшить методы акустической визуализации, поскольку пространственное разрешение обычных методов ограничено длиной волны падающего ультразвука. Это происходит из-за быстро затухающих эванесцентных полей , которые несут субволновые характеристики объектов. ^[31]

Акустический диод

Акустический диод был представлен в 2009 году, который преобразует звук в другую частоту и блокирует обратный поток исходной частоты. Это устройство может обеспечить большую гибкость для проектирования ультразвуковых источников, подобных тем, которые используются в медицинской визуализации. Предлагаемая структура объединяет два компонента: первый — это лист нелинейного акустического материала, скорость звука которого меняется в зависимости от давления воздуха. Примером такого материала является набор зерен или шариков, который становится жестче при сжатии. Второй компонент — это фильтр, который пропускает удвоенную частоту, но отражает исходную. ^{[33] [34]}

Акустическая маскировка

Акустическая маскировка — это гипотетическое устройство, которое сделает объекты непроницаемыми для звуковых волн. Это можно использовать для строительства звуконепроницаемых домов, современных концертных залов или военных кораблей-невидимок. Идея акустической маскировки заключается в том, чтобы просто отклонить звуковые волны вокруг объекта, который нужно замаскировать, но реализовать ее было сложно, поскольку нужны механические метаматериалы . Создание такого метаматериала для звука означает изменение акустических аналогов диэлектрической проницаемости и проницаемости в световых волнах, которые являются плотностью массы материала и его упругой константой. Исследователи из Уханьского университета , Китай, в статье 2007 года ^[35] сообщили о метаматериале, который одновременно обладал отрицательным модулем объемной упругости и плотностью массы.

Лабораторное метаматериальное устройство, применимое к ультразвуковым волнам, было продемонстрировано в 2011 году для частот от 40 до 80 кГц. Метаматериальный акустический плащ был разработан для сокрытия объектов, погруженных в воду, изгибая и закручивая звуковые волны. Маскирующий механизм состоит из 16 концентрических колец в цилиндрической конфигурации, каждое кольцо имеет акустические контуры и разный показатель преломления . Это заставляет звуковые волны изменять свою скорость от кольца к кольцу. Звуковые волны распространяются вокруг внешнего кольца, направляемые каналами в контурах, которые изгибают волны, чтобы обернуть их вокруг внешних слоев. Это устройство было описано как массив полостей, которые фактически замедляют скорость распространяющихся звуковых волн. Экспериментальный цилиндр был погружен в резервуар и сделан так, чтобы исчезнуть из обнаружения сонара. Другие объекты различных форм и плотностей также были скрыты от сонара. ^{[32] [36] [37] [38] [39]}

Фононные метаматериалы для терморегулирования

Поскольку фононы отвечают за теплопроводность в твердых телах, акустические метаматериалы могут быть разработаны для управления теплопередачей. ^{[40] [41]}

Квантово-подобные вычисления с использованием акустических метаматериалов

Исследователи продемонстрировали квантовоподобный метод вычислений с использованием акустических метаматериалов. ^{[42] [43] [44]} Недавно были продемонстрированы операции, похожие на вентили Controlled-NOT (CNOT), ключевой компонент квантовых вычислений. ^[43] Используя нелинейный акустический метаматериал, состоящий из трех упруго связанных волноводов, команда создала классические аналоги кубитов, называемые логическими фи-битами. Этот подход позволяет выполнять масштабируемые, систематические и предсказуемые операции вентилей CNOT с использованием простой физической манипуляции. Это нововведение открывает перспективы для области квантовоподобных вычислений с использованием акустических метаматериалов.

Смотрите также

• Акустическая дисперсия
• Метаматериальная маскировка
• Метаматериал
• Метаматериал-поглотитель
• Антенны из метаматериалов
• Метаматериалы с отрицательным индексом
• Фотонные метаматериалы
• Фотонный кристалл
• Сейсмические метаматериалы
• Разрезной кольцевой резонатор
• Суперлинза
• Настраиваемые метаматериалы
• Трансформационная оптика

Книги

• Справочник по метаматериалам
• Метаматериалы: физические и инженерные исследования

Ученые, изучающие метаматериалы

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

Ссылки

1. Горишный, Тарас, Мартин Мальдован, Чайтанья Уллал и Эдвин Томас. «Здоровые идеи». Мир физики 18, вып. 12 (2005): 24. https://physicalworld.com/a/sound-ideas/
2. DT, Emerson (декабрь 1997 г.). «Работа Джагадиса Чандры Бозе: 100 лет исследований миллиметровых волн». Труды IEEE по теории и технике микроволн . 45 (12): 2267. Bibcode : 1997ITMTT..45.2267E. doi : 10.1109/22.643830.Отделение Национального научного фонда (NSF) предоставляет дополнительный материал к оригинальной статье — Работа Джагадиса Чандры Бозе: 100 лет исследований ММ-волн.
3. Бозе, Джагадис Чандер (1898-01-01). «О вращении плоскости поляризации электрических волн скрученной структурой». Труды Королевского общества . 63 (1): 146–152. Bibcode : 1898RSPS...63..146C. doi : 10.1098/rspl.1898.0019. S2CID  89292757.
4. Nader, Engheta; Richard W. Ziolkowski (июнь 2006 г.). Метаматериалы: физика и инженерные исследования. Wiley & Sons. стр. xv. ISBN 978-0-471-76102-0.
5. Энгета, Надер (29.04.2004). "Метаматериалы" (PDF) . Кафедра электротехники и систем в Университете Пенсильвании . Лекция. С. 99.^{[ мертвая ссылка ]}
6. Shelby, RA; Smith, DR; Schultz, S. (2001). «Экспериментальная проверка отрицательного показателя преломления». Science . 292 (5514): 77–79. Bibcode :2001Sci...292...77S. CiteSeerX 10.1.1.119.1617 . doi :10.1126/science.1058847. PMID  11292865. S2CID  9321456. 
7. Чжэнъю Лю, Лю; Сисян Чжан; Ивэй Мао; Й.Ю. Чжу; Чжию Ян; КТ Чан; Пин Шэн (2000). «Локально резонансные звуковые материалы». Наука . 289 (5485): 1734–1736. Бибкод : 2000Sci...289.1734L. дои : 10.1126/science.289.5485.1734. ПМИД  10976063.
8. Smith, DR; Padilla, WJ; Vier, DC; Nemat-Nasser, SC; Schultz, S (2000). «Композитная среда с одновременно отрицательной проницаемостью и диэлектрической проницаемостью». Physical Review Letters . 84 (18): 4184–7. Bibcode :2000PhRvL..84.4184S. doi : 10.1103/PhysRevLett.84.4184 . PMID  10990641.
9. 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. Томас, Джессика; Инь, Лейлей; Фанг, Николас (2009-05-15). "Метаматериал фокусирует звук". Physics . 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 аэрокосмической отрасли". Новая технология метаматериалов акустической изоляции для аэрокосмической отрасли . Получено 25.09.2017 .
12. Смит, Дэвид Р. (2006-06-10). "Что такое электромагнитные метаматериалы?". Новые электромагнитные материалы . Исследовательская группа DR Smith. Архивировано из оригинала 20 июля 2009 г. Получено 2009-08-19 .
13. "Плотность". Encyclopedia Americana . Grolier. Vol. Online. Scholastic Inc. 2009. Получено 06.09.2009 .^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
14. Guenneau, Sébastien; Alexander Movchan; Gunnar Pétursson; S. Anantha Ramakrishna (2007). "Акустические метаматериалы для фокусировки и ограничения звука" (PDF) . New Journal of Physics . 9 (399): 1367–2630. Bibcode :2007NJPh....9..399G. doi : 10.1088/1367-2630/9/11/399 .
15. Krowne, Clifford M.; Yong Zhang (2007). Physics of Negative Refraction and Negative Index Materials: Optical and Electronic Aspects and Diversified Approaches. New York: Springer-Verlag. стр. 183 (глава 8). ISBN 978-3-540-72131-4.
16. Лэвис, 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. Brulin, Olof; Richard Kin Tchang Hsieh (1982). Механика микрополярных сред. World Scientific Publishing Company. стр. 3–11. ISBN 978-9971-950-02-6.
18. Movchan, AB; S. Guenneau (2004). "Split-ring resonators and localized modes" (PDF) . Phys. Rev. B . 70 (12): 125116. Bibcode :2004PhRvB..70l5116M. doi :10.1103/PhysRevB.70.125116. Архивировано из оригинала (PDF) 22-02-2016 . Получено 27-08-2009 .
19. Ли, Дже-Хванг; Сингер, Джонатан П.; Томас, Эдвин Л. (2012). «Микро-/наноструктурированные механические метаматериалы». Advanced Materials . 24 (36): 4782–4810. Bibcode : 2012AdM....24.4782L. doi : 10.1002/adma.201201644. ISSN  1521-4095. PMID  22899377. S2CID  5219519.
20. Лу, Мин-Хуэй; Фэн, Лян; Чэнь, Янь-Фэн (2009-12-01). «Фонические кристаллы и акустические метаматериалы». Materials Today . 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. Звуковые кристаллы создают звуковой барьер. Институт физики . 2000-09-07. Архивировано из оригинала 2010-03-15 . Получено 2009-08-25 .
23. Шелби, РА; Смит, ДР; Немат-Нассер, СЦ; Шульц, С. (2001). «Передача микроволн через двумерный, изотропный, левосторонний метаматериал». Applied Physics Letters . 78 (4): 489. Bibcode : 2001ApPhL..78..489S. doi : 10.1063/1.1343489. S2CID  123008005.
24. Горишний, Тарас; Мартин Малдован; Чайтанья Уллал; Эдвин Томас (2005-12-01). "Здравые идеи". Physicsworld.com . Институт физики . Архивировано из оригинала 2012-04-03 . Получено 2009-11-05 .
25. GP Srivastava (1990). Физика фононов . CRC Press. ISBN 978-0-85274-153-5.
26. MI Hussein (2009). "Reduced Bloch mode expand for period media band structure pricing". Труды Королевского общества A. 465 ( 2109): 2825–2848. arXiv : 0807.2612 . Bibcode : 2009RSPSA.465.2825H. doi : 10.1098/rspa.2008.0471. S2CID  118354608.
27. Раванбод, Мохаммад (2023). «Инновационный легкий фононный кристалл с перекрещивающимися пучками и перфорированным хостом для широкополосного ослабления вибрации». Прикладная физика A. 129 ( 2): 102. Bibcode : 2023ApPhA.129..102R. doi : 10.1007/s00339-022-06339-6. S2CID  255905589.
28. Trostmann, Erik (2000-11-17). Водопроводная вода как среда гидравлического давления. CRC Press. стр. 36. ISBN 978-0-8247-0505-3.
29. Петрила, Титус; Дамиан Триф (декабрь 2004 г.). Основы механики жидкости и введение в вычислительную гидродинамику. Springer-Verlag New York, LLC. ISBN 978-0-387-23837-1.
30. Ding, Yiqun; et al. (2007). "Метаматериал с одновременно отрицательным модулем объемной упругости и плотностью массы". Phys. Rev. Lett . 99 (9): 093904. Bibcode :2007PhRvL..99i3904D. doi :10.1103/PhysRevLett.99.093904. PMID  17931008.
31. Zhang, Shu; Leilei Yin; Nicholas Fang (2009). "Фокусировка ультразвука с помощью акустической метаматериальной сети". Phys. Rev. Lett . 102 (19): 194301. arXiv : 0903.5101 . Bibcode :2009PhRvL.102s4301Z. doi :10.1103/PhysRevLett.102.194301. PMID  19518957. S2CID  38399874.
32. Adler, Robert; Акустические метаматериалы., Отрицательное преломление. Защита от землетрясений. (2008). «Акустическая «суперлинза» может означать более точное ультразвуковое сканирование». New Scientist Tech . стр. 1. Получено 12 августа 2009 г.
33. Монро, Дон (2009-08-25). "Одностороннее зеркало для звуковых волн" (синопсис к "Акустический диод: выпрямление потока акустической энергии в одномерных системах" Бин Лян, Бо Юань и Цзянь-чунь Чэн) . Physical Review Focus . Американское физическое общество . Получено 2009-08-28 .
34. Ли, Баовэнь; Ван, Л; Касати, Г (2004). «Термический диод: выпрямление теплового потока». Physical Review Letters . 93 (18): 184301. arXiv : cond-mat/0407093 . Bibcode : 2004PhRvL..93r4301L. doi : 10.1103/PhysRevLett.93.184301. PMID  15525165. S2CID  31726163.
35. Дин, Ицюнь; Лю, Чжэнъю; Цю, Чуньинь; Ши, Цзин (2007). «Метаматериал с одновременно отрицательным модулем объемной упругости и плотностью массы». Physical Review Letters . 99 (9): 093904. Bibcode : 2007PhRvL..99i3904D. doi : 10.1103/PhysRevLett.99.093904. PMID  17931008.
36. Чжан, Шу; Чунгуан Ся; Николас Фан (2011). «Широкополосный акустический плащ для ультразвуковых волн». Phys. Rev. Lett . 106 (2): 024301. arXiv : 1009.3310 . Bibcode : 2011PhRvL.106b4301Z. doi : 10.1103/PhysRevLett.106.024301. PMID  21405230. S2CID  13748310.
37. Нельсон, Брин (19 января 2011 г.). «Новый метаматериал может сделать подводные лодки невидимыми для сонаров». Defense Update . Архивировано из оригинала (Online) 22 января 2011 г. Получено 2011-01-31 .
38. "Акустическая маскировка может скрыть объекты от сонара". Информация для механики и инженерии . Университет Иллинойса (Урбана-Шампейн). 21 апреля 2009 г. Архивировано из оригинала (Онлайн) 27 августа 2009 г. Получено 2011-02-01 .
39. "Недавно разработанный плащ скрывает подводные объекты от сонара". Новости США - Наука (онлайн). 2011 US News & World Report. 7 января 2011 г. Архивировано из оригинала 17 февраля 2011 г. Получено 2011-06-01 .
40. «Фононные метаматериалы для терморегулирования: атомистическое вычислительное исследование». Китайский журнал физики, т. 49, № 1, февраль 2011 г.
41. Роман, Кэлвин Т. «Исследование термического управления и метаматериалов». Институт ВВС США, Техническая школа инженерии и менеджмента на авиабазе Райт-Паттерсон, штат Огайо , март 2010 г.
42. Хасан, М. Ариф; Рунге, Кит; Деймье, Пьер А. (2021-12-20). «Экспериментальная классическая запутанность в 16-акустическом кубит-аналоге». Scientific Reports . 11 (1): 24248. Bibcode :2021NatSR..1124248H. doi :10.1038/s41598-021-03789-5. ISSN  2045-2322. PMC 8688442 . PMID  34931009. 
43. Runge, Keith; Hasan, M. Arif; Levine, Joshua A.; Deymier, Pierre A. (2022-08-18). "Демонстрация двухбитного контролируемого НЕ квантово-подобного вентиля с использованием классических акустических кубит-аналогов". Scientific Reports . 12 (1): 14066. Bibcode :2022NatSR..1214066R. doi :10.1038/s41598-022-18314-5. ISSN  2045-2322. PMC 9388580 . PMID  35982078. S2CID  251671308. 
44. Деймье, Пьер А.; Рунге, Кит; Хасан, М. Ариф (2022-08-01). «Реализация алгоритмов Дойча и Дойча–Джожи, связанных с классической запутанностью эластичных битов». Wave Motion . 113 : 102977. Bibcode : 2022WaMot.11302977D. doi : 10.1016/j.wavemoti.2022.102977 . ISSN  0165-2125. S2CID  249855608.

Дальнейшее чтение

• Леонхардт, Ульф; Смит, Дэвид Р. (2008). «В центре внимания — маскирующая и преобразующая оптика». Новый журнал физики . 10 (11): 115019. Bibcode : 2008NJPh...10k5019L. doi : 10.1088/1367-2630/10/11/115019 .
• Фанг, Николас; Си Цзиньпин, Дунцзюань; Сюй, Цзяньи; Амбати, Муралидхар; Шритураванич, Верают; Сунь, Ченг; Чжан, Сян (2006). «Ультразвуковые метаматериалы с отрицательным модулем» (PDF) . Природные материалы . 5 (6): 452–6. Бибкод : 2006NatMa...5..452F. дои : 10.1038/nmat1644. PMID  16648856. S2CID  11216648. Архивировано из оригинала (PDF) 23 июня 2010 г.
• Чжан, Шу; Ся, Чунгуан; Фан, Николас (2011). «Широкополосный акустический плащ для ультразвуковых волн». Physical Review Letters . 106 (2): 024301. arXiv : 1009.3310 . Bibcode : 2011PhRvL.106b4301Z. doi : 10.1103/PhysRevLett.106.024301. PMID  21405230. S2CID  13748310.
• Pendry, JB; Li, Jensen (2008). «Акустическая метажидкость: реализация широкополосного акустического маскирования». New Journal of Physics . 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, Дордрехт 2013, ISBN 978-94-007-4812-5 . 

Внешние ссылки

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