一种超材料梁对机械波振动吸收的模拟研究

本文设计了一种能够对机械波进行吸收的超材料梁,超材料梁由若干质量-弹簧微结构系统和一根各向同性梁构成.通过对两种不同结构的质量-弹簧系统的分析,从理论上解释了"负有效质量"和"负有效刚度".根据Hamilton原理,导出了超材料梁的代表性胞元的控制方程.通过数值模拟分析了两种不同结构的有限超材料梁对机械波的吸收性能,一种是弹性系数线性变化的质量-弹簧系统在有限梁内均匀分布,另一种是由固有频率线性变化的弹簧-阻尼器子系统构成四个相同吸收器子群在有限梁内均匀分布.模拟结果表明,进入梁中的机械波与质量-弹簧振子 关键词： 超材料梁 负有效质量 负有效刚度 机械波     

二维光子晶体的软平板印刷技术制作研究

分析了软平板印刷技术制作二维光子晶体的特点和方法.利用绝缘PDMS模板,采用软平板印刷技术制造了三角晶系结构的二维聚合物光子晶体,采用同样的技术成功制成尺寸为150~500 nm,纵横比达1.25的高密度二维光子晶体.与其他制作技术相比,平板印刷技术具有大尺寸和易于制作的优点.结果表明,制作获得的微结构有很高的保真度.     

原子层厚度超表面光场调控原理及应用

超表面由亚波长尺度二维人工微结构构成,可以实现对光场振幅、相位、偏振等多参量进行调控,为光场调控提供了优良平台.二维材料作为一种新型层状结构材料,相对于三维体材料有着十分独特的光学和电学特性,其与超表面结合为纳米尺度平面光学器件的发展提供了新的可能.本文综述了基于原子层厚度的二维材料超表面发展,介绍了多种二维材料超表面...     

一种具有动态磁负刚度薄膜声学超材料的低频隔声特性

为提升薄膜/板状结构的低频隔声特性,本文提出一种具有动态磁负刚度的新型准零刚度薄膜声学超材料.首先,应用等效磁荷理论推导了动态磁负刚度;然后,基于伽辽金法建立了有限尺寸下薄膜/板结构的隔声理论模型.通过理论分析、数值仿真及实验测试相结合的方法,从结构模态、振动模式、平均速度、相位曲线、等效质量密度和等效弹簧-质量动力学模型等多个角度对其低频(1—1000 Hz)隔声机理开展了研究.结果表明:在初始薄膜张力一定时,减小磁间隙或增大剩余磁通密度均可增大动态磁负刚度,进而减小隔声峰值频率,增加隔声带宽,实现了较宽频段下的有效低频隔声;进一步,当磁间隙大于第二临界磁间隙小于第一临界磁间隙时,结构的一阶模态共振消失,对应隔声谷值大幅提升,显示出超宽频段的隔声效果.这种利用动态磁负刚度改善模态共振导致的低频隔声谷值的方法对薄膜/板型低频隔声超材料的设计具有重要的理论指导价值.     

十字环型左手材料单元结构设计与仿真

提出了一种新型十字环型左手材料结构单元.该结构只需在介质板单侧蚀刻, 即可在二维方向上产生等效负介电常数和等效负磁导率.通过理论分析, 提出场-路结合的等效源分析法以计算等效介电常数、磁导率, 并据此对十字环型结构单元的左手特性激发机理进行了论证. 后采用Nicolson-Ross-Weir 等效参数法提取了十字环型单元阵列的相对介电常数和相对磁导率, 并通过棱镜实验对材料的负折射特性进行了验证.实验表明, 该左手材料在6.8-6.9 GHz频段具有二维入射左手特性. 此种左手材料制作工艺相对简单, 为左手材料在微波器件领域的应用提供了一种较为实用的设计方案.     

基于双梯形金属条的二维超材料性能分析

提出了一种基于平行金属条和细金属线的双梯形二维超材料结构单元.该结构由介质板以及其两侧放置的一对反向对称梯形金属条组成.与传统二维超材料相比,该结构在电磁波平行入射时具有双左手频带特性,在电磁波双向入射情况下具有良好的左手频带拓展性,且结构易于制备.利用电磁仿真软件分别模拟电磁波垂直入射和平行入射条件下该结构的电磁性能.结果表明:该结构在两种入射情况下均能实现双负特性;梯形上底每增大0.5mm,双入射情况下结构的双负特性分别向高频移动0.2GHz和0.4GHz.该研究对基于平行金属条的左手材料的研究以及二维左手材料的发展具有参考价值.     

基于磁激元效应的石墨烯-金属纳米结构近红外吸收研究

石墨烯作为一种单层碳原子二维材料,在可见光和近红外波段吸收率只有2.3%左右,这限制了石墨烯在光电探测、光电调制等领域的应用.本文基于纳米超材料结构的磁激元共振效应,设计了一种金属-绝缘层-金属-石墨烯混合二维浅光栅结构,通过设计混合二维浅光栅结构尺寸来改变石墨烯化学势,实现了石墨烯在近红外波段的吸收增强和调制.利用有限元仿真和等效电路模型,系统地分析了非正入射、结构参数和石墨烯化学势对吸收特性的影响.研究结果表明,混合二维浅光栅结构的磁激元共振效应可以明显提升石墨烯在近红外波段的吸收率,并且对入射角度和极化方向不敏感.在特定结构参数下,混合二维浅光栅结构在1480nm处吸收率达到了85%,其中石墨烯的吸收率为55%,提升了24倍;通过调控石墨烯化学势从0.1eV增大到1.0eV,分别实现了不同结构尺寸下54.8%,50.3%,46.8%的反射率调制深度.     

基于超材料的堆叠式宽谱热辐射吸收器的设计北大核心CSCD

针对目前吸收器存在的吸收光谱过窄的技术问题,提出了一种由金属与非金属组成的具有金属-绝缘体-金属(MIM)结构的超材料吸收器模型,并模拟分析其辐射特性,计算总体吸收性能。针对给定的波长范围,通过对超材料吸收器的结构参数的改变,对比分析了周期、宽度、金属层厚度和介电层厚度对吸收器辐射特性的影响。结果表明,介电层厚度对吸收率的影响最为明显。研究了不同结构参数微结构的堆叠对多层超材料吸收器吸收峰的影响,结果显示可以通过叠加获得更高的吸收峰值,提升吸收器的总体吸收效率,在可见光到红外光间形成一个宽谱吸收。     

原子厚度的二维亚波长超透镜

超透镜（Metalens）是结合了超表面原理和超薄平板光学原理制作的一类自身尺度在亚波长范围内,能够对光波前进行重塑的新兴人工光学器件。二维范德华材料的出现为超透镜光学器件提供了丰富的材料选择以及功能调控方面的可能。以石墨烯、过渡族金属硫族化合物等为典型代表的二维材料归功于其层间相对较弱的范德华相互作用,可通过机械剥离、化学气相沉积等方法获得原子层厚度平整的单晶,天然满足超透镜材料厚度尺寸要求,其自身以及溶于溶剂形成的二维液晶材料均具有优异的电学、光学、机械、磁性等丰富的物理特性,且性能高度可调控,使得基于二维材料的超透镜除能满足传统透镜的特性功能外,还有望通过包括静电调控等方式得到具有可调控的新奇物理特性。因此,对基于二维材料的超透镜的发展现状进行总结,并结合其材料结构特性进行相关的展望对该行业的发展是十分迫切的。本综述主要围绕二维材料超透镜展开,概述了该类透镜的研究进展,包括二维层状材料以及二维液晶材料、二维材料超透镜的潜在应用前景,以及对二维超透镜这一新兴研究领域未来的发展方向进行了适当的总结与展望。     

基于超材料的堆叠式宽谱热辐射吸收器的设计

针对目前吸收器存在的吸收光谱过窄的技术问题,提出了一种由金属与非金属组成的具有金属-绝缘体-金属(MIM)结构的超材料吸收器模型,并模拟分析其辐射特性,计算总体吸收性能。针对给定的波长范围,通过对超材料吸收器的结构参数的改变,对比分析了周期、宽度、金属层厚度和介电层厚度对吸收器辐射特性的影响。结果表明,介电层厚度对吸收率的影响最为明显。研究了不同结构参数微结构的堆叠对多层超材料吸收器吸收峰的影响,结果显示可以通过叠加获得更高的吸收峰值,提升吸收器的总体吸收效率,在可见光到红外光间形成一个宽谱吸收。     

微穿孔板复合板型声学超材料的低频吸声

针对单层微穿孔板的低频吸声问题提出了微穿孔板复合板型声学超材料结构。将板型声学超材料置入微穿孔板结构的背腔内部实现结构复合。实验结果表明:在相同背腔厚度下,复合结构的吸声性能整体优于单层微穿孔板结构,其中复合结构的吸声曲线从396~892 Hz均大于0.6,在453 Hz处吸声系数达到0.972。利用有限元方法对复合结构进行了仿真,仿真计算的吸声曲线与实验吸声曲线的趋势基本相同,同时发现低频吸声主要由板型声学超材料与声波相互作用贡献。板型声学超材料的吸声峰值的对应频率处,其等效动态质量密度从正变负。在复合结构内部的微穿孔板和板型声学超材料存在相互耦合作用,使得复合结构的第一峰值发生微小偏移。增加板型声学超材料的质量块重量可以使第一吸声峰值向低频移动;保持总背腔厚度不变,增加板型声学超材料的子腔厚度,也可以使第一吸声峰向低频移动。      

基于拓扑优化设计的宽频吸波复合材料

本文基于拓扑优化方法设计并制备了一种宽频吸波复合材料,该吸波复合材料由高强玻璃纤维透波板、电阻损耗型超材料、聚氨酯泡沫和碳纤维反射板组成.仿真及测试结果表明,该吸波复合材料在2–18 GHz频段内的平板反射率均小于-12 dB.并且由于采用高强玻璃纤维及碳纤维复合材料作为面板层,聚氨酯泡沫作为芯材,因此该吸波复合材料不仅在较宽频带内对电磁波具有高的吸收率,同时还具有质量轻、耐高温、耐低温、耐湿热、抗腐蚀等特点,便于实现吸波与力学性能及耐环境性能的兼容,具有一定的工程应用价值.     

Analysis of underwater decoupling properties of a locally resonant acoustic metamaterial coating

This paper presents a semi-analytical solution for the vibration and sound radiation of a semi-infinite plate covered by a decoupling layer consisting of locally resonant acoustic metamaterial. Formulations are derived based on a combination use of effective medium theory and the theory of elasticity for the decoupling material. Theoretical results show good agreements between the method developed in this paper and the conventional finite element method(FEM), but the method of this paper is more efficient than FEM. Numerical results also show that system with acoustic metamaterial decoupling layer exhibits significant noise reduction performance at the local resonance frequency of the acoustic metamaterial, and such performance can be ascribed to the vibration suppression of the base plate. It is demonstrated that the effective density of acoustic metamaterial decoupling layer has a great influence on the mechanical impedance of the system. Furthermore, the resonance frequency of locally resonant structure can be effectively predicted by a simple model, and it can be significantly affected by the material properties of the locally resonant structure.     

极化无关双向吸收超材料吸波体的仿真与实验验证

设计并制作出极化无关双向吸收超材料吸波体.仿真结果表明,该吸波体对斜入射横电极化和横磁极化电磁波具有较好的吸收效果,其强损耗主要来自介质基板的介电损耗.实验测试结果表明,该吸波体在11.1 GHz对垂直入射电磁波实现双向强吸收,吸收率分别为95.9％和90.8％.该吸波体厚度较薄,工作波长约为1/34.该超材料吸波体具有吸收率高、厚度薄、设计简单、易于加工等优点.     

光波辐射下正多边形异向介质柱聚焦特性分析

基于时域有限差分方法,建立了光波辐射下正三角形、正四边形和正六边形无耗异向介质柱的二维电磁模型.分析了其近场特性,并对模型的有效性进行了验证.仿真结果表明:即便对于εr和μr都很小且无耗的正多边形异向介质柱,当平面光波沿正多边形顶角角平分线方向传播时,在异向介质柱内不会发生电磁聚焦.     

Relationship between Helmholtz-resonance absorption and panel-type absorption in finite flexible microperforated-panel absorbers

Microperforated panels (MPPs) can provide wide-band absorption without fibrous and porous materials and are recognized as next-generation absorption materials. Although the fundamental absorbing mechanism of an MPP absorber is Helmholtz-resonance absorption, sound-induced vibration of an MPP itself can affects the absorption characteristics. There have been some studies considering the effects of the sound-induced vibration and there even is a proposal to widen the absorption bandwidth by positively utilizing the vibration of an MPP itself. On the other hand, in a previous study, the relationship between MPP absorbers and panel-type absorbers was investigated with infinite theory. However, the relationship between Helmholtz-resonance absorption and panel-type absorption in finite flexible MPP absorbers has not been clarified. Herein, from the viewpoint of an absorption-characteristics transition with the perforation ratio, the relationship between Helmholtz-resonance absorption and panel-type absorption including the effects of eigen-mode vibrations of the panel is theoretically and experimentally investigated. The analytical model considers a finite flexible MPP supported in a circular duct, and the predicted data for the absorption coefficient under normal incidence is validated by an experiment using an acoustic tube. From this investigation, it is found that panel-type absorption due to eigen-mode vibrations of the panel occurs independently from Helmholtz-resonance absorption, while panel-type absorption due to a mass-spring resonance of a panel and a back cavity has a trade-off relationship with Helmholtz-resonance absorption with respect to the perforation ratio.     

Stiff light composite panels for duct noise reduction

Low-frequency duct noise reduction using stiff light composite panels is developed and tested. Since these composite panels are made of lightweight and stiff materials, this actuation strategy will enable the creation of composite panels for duct noise control without using traditional heavy structural mass. The results suggest that the mass-spring resonance absorption in the case of a comparatively stiff thick panel with a thin flexible plate is more efficient with minimum weight, verifying that when subjected to low-frequency (<500 Hz). The efficiency of the panel absorber depends on the mass of the thin flexible plate and the stiffness of the panel.     

An improved fishnet three-dimensional metamaterial with multiband left-handed characteristics at terahertz frequencies

We present the design of a multiband left-handed three-dimensional (3D) metamaterial based on improved fishnet structure at terahertz frequencies. The design realizes a three-dimensional material by mechanical stacking of multiple layers. The electromagnetic properties of the metamaterial have been investigated by numerical simulation. The results show that simultaneously negative values of permittivity, permeability and refractive index are found around the frequencies of 0.73, 0.85 and 1.12 THz for the electromagnetic wave normal incidence. The proposed metamaterial with independent polarization and compact effect offers a way to develop THz 3D materials and devices suitable for multifrequencies.     

二维磁流变包层声学超材料*

该文构建了以钨为内核、环氧树脂为基体、磁流变弹性体作为包层的二维局域共振型声学超材料,采用有限元方法分析了声波的能带结构、透射率、振动模。研究结果表明:利用外磁场可以调控磁流变弹性体包层的弹性模量,从而调节声学超材料带隙的中心位置和宽度,还可以通过改变磁流变弹性体包层的厚度来调节带隙的中心位置和宽度。这些方法对可调型声学超材料的设计有重要的参考意义。