比翱观察丨为声学超材料“量体裁衣” - 将两种工程机械性能的方法结合起来
声学超材料表现出在大多数材料中无法实现的特性。其中一个特性被称为彩虹捕捉（Rainbow Trapping）：在很宽的频率范围内完美地同时吸收声音的能力。
与声学超材料的电磁对应物的情况一样，彩虹捕获和其他奇异特性的途径在于结合或形成处于或低于要吸收、折射或反射的波长的子结构。光学超材料往往是金属环或其他形状的刚性阵列。声学材料不必是刚性的。事实上，它们对声音的弹性响应为定制特性提供了另一条途径。
声学超材料也不需要由密度和刚度在整个材料中保持不变的物质制成。另一种调整属性的方法是在一个或多个参数中设计梯度。
可以将弹性响应和工程梯度这两条路线结合起来吗？是的，华盛顿特区美国海军研究实验室的Stephanie Konarski和Christina Naify说。在一篇新发表的论文中，他们报告了模拟声音通过各种材料特性组合的结果。
他们的可调节声学超材料，其形状随外部负载调整，由半无限虚拟橡胶片组成，该虚拟橡胶片被周期性的方形晶格圆孔刺穿，这些圆孔合计占该片总面积的56%。数值实验中的11种橡胶具有不同的剪切模量和不同的声速。对于每种橡胶，评估了两种情况：无扣孔晶格和扣孔晶格中的波效应。梯度提供了变化的最终来源。
Konarski和Naify通过组合不同的橡胶研究了几种结构。例如，一种组合将橡胶从高剪切模量排列到低剪切模量。另一种是剪切模量先增大后减小。还有一个剪切模量在11个区域中随机排列。
Konarski和Naify试图优化的特性是所谓的阻带范围。类似于光子晶体中的带隙，阻带是不发生传输的频率范围。他们发现最广泛的阻带出现在经历屈曲并且其组成橡胶具有一个或多个梯度的片材中。尽管Konarski和Naify研究的超材料是虚拟的，但它们原则上可以使用计算机控制的增材制造来实现。
参考文献
JASA Express Letters 1, 015602 (2021);https://doi.org/10.1121/10.0003040
Elastic bandgap widening and switching via spatially varying materials and buckling instabilities
Stephanie G. Konarskia，Christina J. Naify
Acoustics Division, Code 7160, UnitedStates Naval Research Laboratory, Washington, DC 20375, USA
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