声波在可渗透有耗超材料中的传播- 大数跨境

声学楼论坛

2024-08-11

导读

本文研究了声波在具有不同类型谐振器（即声学谐振器和弹性谐振器）的气体饱和可渗透有耗超材料中的传播。利用双尺度渐近均匀化方法，建立了这类超材料中控制声传播的宏观方程。这些方程表明，超材料可以被模拟为具有非常规有效密度和可压缩性的等效流体。对这些频率相关和复值参数的分析表明，两者的实部在由内共振确定的频带内可以取负值。升级的理论以可渗透的有耗超材料为例，该超材料具有一个由两个不相连的流体网络和一个固体框架组成的单元。其中一个流体网络装有声学谐振器（例如，四分之一波长的亥姆霍兹谐振器），而另一个网络则装有弹性薄膜。结果表明，声波在可渗透有耗超材料中的传播由经典粘热耗散和局部弹性惯性共振共同决定。这些结果有望引导人们明智地设计出具有特殊性质的声学材料，包括负相速度和回归波的相常数特性、非常慢的相速度和宽的亚波长带隙。

创新研究

本文研究了气体饱和可渗透有耗超材料（PLM：Permeable Lossy Metamaterials）中的声音传播，其单元晶胞由完全刚性且不透水的固体域和两个流体网络组成。使其中一个网络饱和的流体与使声谐振器（例如，四分之一波长的亥姆霍兹谐振器）饱和的流体接触。第二个流体网络包含一层薄的弹性膜，它与流体有很强的相互作用。尽管存在薄膜，流体网络仍保持连接。这项工作的主要贡献之一是气体饱和可渗透有损耗的超材料中声波传播的升级理论。宏观方程是使用均匀化的双尺度渐近方法得出的，并证明可渗透的有损超材料可以建模为具有复值频率相关有效参数的等效流体。这些参数描述了局部粘弹惯性效应对超材料声学特性的影响。研究团队还介绍了(i) 对可渗透有耗超材料的有效参数的全面分析，从微观尺度描述出发，揭示其非典型声学行为的物理起源；(ii) 混合（数值-分析）模型，用于举例说明超材料的非常规声学特性。

这项工作继续研究了单孔介质、双孔介质和多孔复合材料中的振荡流体流动和热传导，以及振荡流体-薄膜相互作用。这些发现将有助于声学超材料的自底向上设计，用于与波控制相关的应用，并可与其他关于波导中振荡流体流动的研究结果一起开发。

图文快览

可渗透有耗超材料的通用型周期几何结构。左上- 3D宏观介质。中上- 3D表征单元体（REV）。右上 - 3D REV的剖视图。3D版本的右上剖视图。左下 -宏观介质的二维表示。右下- REV的二维表示。夹紧薄膜C显示为绿色，而声学谐振器Xbr显示为蓝色。固体框架显示为灰色，孔隙流体网络是透明的。

可渗透的有耗超材料的几何形状。（a）3D宏观介质。（b）3D REV。（c）和（d）: 3D REV的剖视图。（e）和（f）: 域的几何参数。（g）单孔隙材料的3D REV。（h）渗透弹性材料的3D REV。（i）双孔材料的3D REV。

不重叠的非典型带

重叠的非典型带

相邻非典型带

匹配fg和fr以及强粘弹惯性相互作用

结论

本文研究了声波在可渗透有耗超材料（PLM）中的传播。所研究的周期性PLM的表征单元体包括一个完全刚性且不透水的固体域和两个独立的孔隙流体网络。饱和其中一个连接的孔隙流体网络的流体与饱和声学谐振器的流体接触。在另一个相连的孔隙流体网络中存在一层弹性薄膜，并与饱和的流体发生强烈的相互作用。

采用双尺度渐近均匀化方法建立了控制PLM中声传播的宏观方程。这些升级的方程表明，PLM可以建模为具有非常规频率依赖性和复值有效动态粘弹性惯性渗透率（或密度）和压缩性的等效流体。动态粘弹性惯性渗透率是饱和孔隙流体网络的流体的动态渗透率的加权和。其中一种动态渗透率的行为是常规的，而另一种则受到局部流体-薄膜相互作用的强烈影响。以类似的方式，证明了PLM的有效压缩率是使孔隙流体网络饱和的流体的有效压缩率的加权和。其中一个对应于经典有效压缩性和视在压缩性的组合，视在压缩性取决于声谐振器的有效导纳，而另一个则以常规方式工作。研究表明，强烈的流体-薄膜相互作用决定了有效动态密度的非典型行为，而声学谐振器决定了有效压缩性的非典型行为。其结果是两条非典型带，它们可能重叠或不重叠，也可能相邻。这些带的位置和边界由弹性惯性特征频率确定，该频率可通过改变微观结构和/或物理参数进行调整。在每个非典型带中，一个有效参数的实部为负值。

亚波长带隙、慢声、超音速扩散波和回归波等都是PLM中存在的现象。通过分析有效参数及其与决定PLM中局部声传播的场的联系，确定了它们的物理来源。此外，开发了PLM有效声学特性的混合（数值-分析）模型，并用于举例说明PLM非典型声学行为的可能变化。这也让我们得以强调损耗的关键作用，以及在PLM建模中正确考虑损耗的必要性。

这项工作表明，声波在PLM中的传播主要由经典粘热耗散和由解耦的声学和弹性谐振器引起的内部弹性惯性共振决定。这也为声波操纵PLM的合理设计提供了理论框架。解释两种不同类型的谐振器之间的相互作用将是所提出理论的逻辑延伸。此外，该理论的实验验证将是未来工作的一个主题。

原文来源：Physics of Fluids 34, 017117 (2022);https://doi.org/10.1063/5.0077342；Acoustic wave propagation in permeable lossy metamaterials

通过阅读原文了解此项研究成果。

内容来源：比翱科技集团

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