磁場調(diào)控聲學(xué)-彈性超材料.pdf

1、在這篇論文里面，我們從理論仿真到實驗等全方面研究了聲學(xué)超材料和彈性超材料的特殊性質(zhì)，并揭示了利用磁場力這一非接觸方式調(diào)制超材料帶隙頻率的機理。超材料是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，通過在宏觀尺度上對材料進行有序結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而獲得普通材料所不具備的特殊物理性質(zhì)。超材料的基本結(jié)構(gòu)由排列在較硬基體中的軟材料包覆的硬質(zhì)核材料構(gòu)成，理論和實驗都證明了這一彈簧質(zhì)子結(jié)構(gòu)具有聲波/彈性波無法透過的低頻帶隙。由于帶隙頻率比相同尺寸的布拉格型晶體的帶隙頻率低

2、約兩個數(shù)量級，從而真正意義上可以實現(xiàn)了用小尺寸控制大波長，并可以廣泛應(yīng)用于低頻振動噪聲的隔聲降噪等領(lǐng)域。
　　然而，超材料帶隙的頻率是由材料本身的特性以及結(jié)構(gòu)決定，當外界的振動噪聲不在帶隙頻率中的時候，超材料就失去了應(yīng)有的隔聲減震功能，因此找到一種調(diào)制帶隙頻率的方法使其可以根據(jù)外界頻率進行調(diào)制,從而具有很高的科研與實用價值。我們研究的基本結(jié)構(gòu)由一個帶有周期性陣列圓孔的扁平鋁棒組成，一層預(yù)緊的具有非線性彈性的薄膜覆蓋在孔上，薄膜兩側(cè)

3、由薄圓盤狀的異極永磁體相互吸引置于圓孔中心作為振子。我們從理論仿真和實驗等多方面證明了采用非接觸磁場力來調(diào)制超材料的振動吸收性能的可行性并探究了調(diào)制機理。根據(jù)安培定理，通電導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生磁場，我們利用通電線圈產(chǎn)生具有梯度的非勻強磁場，使其作用在永磁體上，這個力會改變磁性質(zhì)量單元的位置，根據(jù)膜的非線性特性，其彈性系數(shù)會有變化，另外磁材料也會改變薄膜的預(yù)應(yīng)力情況，從而改變磁性質(zhì)量單元的振動情況以及低頻區(qū)域的帶隙頻率。激光測振儀系統(tǒng)用來記錄結(jié)

4、構(gòu)在不同頻率下的振動情況，實驗結(jié)果證明，帶隙的位置具有負的等效質(zhì)量密度，從而導(dǎo)致彈性波在該頻率處指數(shù)衰減從而無法繼續(xù)向前傳播。另外通過施加不同大小的磁場力，發(fā)現(xiàn)僅僅30mN的磁場力就可以移動薄膜型超材料的帶隙頻率高達40%，調(diào)制效率非常之高。實驗結(jié)果證明，相比于傳統(tǒng)的機械調(diào)制和電調(diào)制，磁場調(diào)制具有非接觸，易實現(xiàn)，調(diào)制效率高等優(yōu)點。
　　在聲學(xué)領(lǐng)域，通過阻抗管來研究傳遞損失與頻率的關(guān)系，同樣可以驗證聲學(xué)超材料存在帶隙并且可以由磁場力

5、進行調(diào)制。彈性波是縱向和橫向波的組合，而聲波是縱波，因此要研究其中的調(diào)制機理會容易一些。聲學(xué)實驗證明，對于聲學(xué)超材料，所加磁場力越大，隔聲量峰值的移動也越大，因此聲學(xué)超材料可主動根據(jù)外界噪聲的頻率，通過改變外加磁場力大小，使得材料隔聲量峰值頻率與外界噪聲頻率一致，從而實現(xiàn)最好的隔聲效果。
　　除了上述的薄膜型超材料，具有厚的硅橡膠包覆層的實體型超材料同樣有帶隙并且可以由外部磁場調(diào)制。然而，實體型超材料的調(diào)制原理和薄膜型超材料非常不

6、同，磁場力直接改變了結(jié)構(gòu)的剛度和共振頻率，進一步改變了整個結(jié)構(gòu)的帶隙頻率。然而，由于實體型超材料的結(jié)構(gòu)剛度較難以改變，即使利用永磁體之間較強的磁場力，其調(diào)制效率仍遠不如薄膜型超材料。
　　由于一維超材料梁結(jié)構(gòu)有良好的帶隙及磁場調(diào)控特性，因此具有構(gòu)建磁場可調(diào)的二維和三維超材料的潛力，于是我們提出了二維磁場調(diào)控彈性波波導(dǎo)的概念。利用具有周期排列空孔的鋁板，在每個空孔上面覆蓋有預(yù)應(yīng)力的薄膜，其中只在某一路徑的薄膜上下放置圓盤型磁鐵。當激

7、勵頻率和空薄膜單元的頻率一致時，由于帶隙的存在，能量只能沿著特定路徑往前傳播，從而實現(xiàn)了彈性波波導(dǎo)。如果特定路徑的內(nèi)核材料沒有磁性，其它位置的內(nèi)核材料具用磁性，那么外加磁場可以改變磁性單元的共振頻率，從而調(diào)制在特定通路中傳播的彈性波頻率。
　　總之，我們利用理論分析、COMSOL有限元模擬和實驗驗證等方式，利用外加磁場調(diào)控彈性/聲學(xué)超材料的帶隙頻率，并根據(jù)實驗結(jié)果提出了相應(yīng)的調(diào)制機理。磁場調(diào)制對薄膜型超材料的調(diào)控效率很高，因為磁場