磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)力這一非接觸方式調(diào)制超材料帶隙頻率的機(jī)理。超材料是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，通過(guò)在宏觀尺度上對(duì)材料進(jìn)行有序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shí)驗(yàn)都證明了這一彈簧質(zhì)子結(jié)構(gòu)具有聲波/彈性波無(wú)法透過(guò)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(gè)數(shù)量級(jí)，從而真正意義上可以實(shí)現(xiàn)了用小尺寸控制大波長(zhǎng)，并可以廣泛應(yīng)用于低頻振動(dòng)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(dāng)外界的振動(dòng)噪聲不在帶隙頻率中的時(shí)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(jìn)行調(diào)制,從而具有很高的科研與實(shí)用價(jià)值。我們研究的基本結(jié)構(gòu)由一個(gè)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(xiàn)性彈性的薄膜覆蓋在孔上，薄膜兩側(cè)

3、由薄圓盤(pán)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(shí)驗(yàn)等多方面證明了采用非接觸磁場(chǎng)力來(lái)調(diào)制超材料的振動(dòng)吸收性能的可行性并探究了調(diào)制機(jī)理。根據(jù)安培定理，通電導(dǎo)線(xiàn)周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，我們利用通電線(xiàn)圈產(chǎn)生具有梯度的非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，使其作用在永磁體上，這個(gè)力會(huì)改變磁性質(zhì)量單元的位置，根據(jù)膜的非線(xiàn)性特性，其彈性系數(shù)會(huì)有變化，另外磁材料也會(huì)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(dòng)情況以及低頻區(qū)域的帶隙頻率。激光測(cè)振儀系統(tǒng)用來(lái)記錄結(jié)

4、構(gòu)在不同頻率下的振動(dòng)情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，帶隙的位置具有負(fù)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(wú)法繼續(xù)向前傳播。另外通過(guò)施加不同大小的磁場(chǎng)力，發(fā)現(xiàn)僅僅30mN的磁場(chǎng)力就可以移動(dòng)薄膜型超材料的帶隙頻率高達(dá)40%，調(diào)制效率非常之高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)制和電調(diào)制，磁場(chǎng)調(diào)制具有非接觸，易實(shí)現(xiàn)，調(diào)制效率高等優(yōu)點(diǎn)。
　　在聲學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)阻抗管來(lái)研究傳遞損失與頻率的關(guān)系，同樣可以驗(yàn)證聲學(xué)超材料存在帶隙并且可以由磁場(chǎng)力

5、進(jìn)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(jī)理會(huì)容易一些。聲學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于聲學(xué)超材料，所加磁場(chǎng)力越大，隔聲量峰值的移動(dòng)也越大，因此聲學(xué)超材料可主動(dòng)根據(jù)外界噪聲的頻率，通過(guò)改變外加磁場(chǎng)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(shí)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(shí)體型超材料同樣有帶隙并且可以由外部磁場(chǎng)調(diào)制。然而，實(shí)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(chǎng)力直接改變了結(jié)構(gòu)的剛度和共振頻率，進(jìn)一步改變了整個(gè)結(jié)構(gòu)的帶隙頻率。然而，由于實(shí)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(qiáng)的磁場(chǎng)力，其調(diào)制效率仍遠(yuǎn)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(chǎng)調(diào)控特性，因此具有構(gòu)建磁場(chǎng)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(chǎng)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(gè)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(pán)型磁鐵。當(dāng)激

7、勵(lì)頻率和空薄膜單元的頻率一致時(shí)，由于帶隙的存在，能量只能沿著特定路徑往前傳播，從而實(shí)現(xiàn)了彈性波波導(dǎo)。如果特定路徑的內(nèi)核材料沒(méi)有磁性，其它位置的內(nèi)核材料具用磁性，那么外加磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方式，利用外加磁場(chǎng)調(diào)控彈性/聲學(xué)超材料的帶隙頻率，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了相應(yīng)的調(diào)制機(jī)理。磁場(chǎng)調(diào)制對(duì)薄膜型超材料的調(diào)控效率很高，因?yàn)榇艌?chǎng)