中科院力学所双负声学超材料研究取得新进展

由于奇异的物理特性，声学超材料在波定向控制与超分辨成像等领域有着广泛的应用前景。目前双负声学超材料是通过在结构单元中引入多种共振形式，利用偶极共振和单极共振形成的杂化态同时实现负的有效密度和有效模量，其结构构型通常较为复杂，需要多种材料复合而成，不利于功能设计与实际应用。因此，如何利用单相材料通过简单结构实现双负特性，对声学超材料功能器件的设计与开发有着重要意义，也是目前研究中急需解决的关键问题。

近期，中国科学院力学研究所微重力重点实验室研究员王育人团队针对这一问题取得新进展。研究人员将星型拉胀结构引入到双负声学超材料的设计中，利用其特殊的内凹构型和丰富的弯曲共振模态来实现负的等效介质参数。研究结果表明：这种简单结构可以在低频产生较宽的带隙，且可以在特定频率范围内实现双负特性。此外，基于该结构的双负特性，研究人员设计了一种水下平板型超分辨声学透镜，其分辨率大于衍射极限可以达到0.39 λ。上述研究结果为声学超材料与先进水下声学器件的设计提供了新的思路。

该研究成果已发表于Scientific Reports (Chen M., Jiang H., Zhang H., Li D., Wang Y. Design of an acoustic superlens using single-phase metamaterials with a star-shaped lattice structure 2018, 8(1):1861.)、Applied Acoustics (Chen M., Xu W., Liu Y., Yan K., Jiang H., Wang Y. Band gap and double-negative properties of a star-structured sonic metamaterial 2018, 139:235-242)与Shock and vibration (Chen M., Meng D., Jiang H., Wang Y. 2018: 1~12)。研究工作得到了中科院战略性先导B项目、国家自然科学基金项目、北京市科技计划项目的资助。

 

图1 星型结构示意图 

图2 (a)星型带隙结构图 (b)振动模态图 (c)等效质量密度 (d)等效模量图 

图3 双负星型结构对声波的负折射与超聚焦