2017年第11期 信息通信2017 (总第 179 期）INFORMATION&COMMUNICATIONS(Sum.N o 179)声学超材料局部共振微结构研究进展李帅\李向荣\李帆2,王国辉1(1.装甲兵工程学院兵器工程系，北京100072;2.陆军北京军事代表室，北京100107)摘要:声学超材料是一类经过特殊设计的人工复合结构。
由于它结构尺寸单元远小于声波波长，具有很多自然材料所不 具备的特殊性质，日益受到关注。
对于声学超材料的研究不到20年，论文简述了负有效质量与负体积模量的原理，介绍 了近年来声学超材料多种微结构的设计方法，对比分析了不同微结构的带隙形成原理及应用前景,对于具有特殊功能的 超材料研究与运用具有一定的指导作用。
关键词：声学超材料;局域共振;负等效质量；负体积模量中图分类号:〇429 文献标识码:A文章编号:1673-1131(2017)11-0042-03〇引言超材料(Metamaterial),是一种特殊复合结构或材料，通过对材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，使其获得天然材 料所不具备的超常物理性质。
基于逆向结构设计理论的超材料研究最先起源于电磁波领域。
1968年，前苏联理论物理学家VeSelag〇[1]首次提出了超材料(左手材料)概念，电磁波通过 时，这种材料的磁导率(H)和介电常数(e)同时为负，宏观上表 现出反常多普勒效应，负折射等现象。
声波作为一种弹性波，和电磁波存在很大差异，但是仍然有许多相似的特征。
特别是对于声波方程的质量密度、体积模量可以和麦克斯韦方程的介电常数、磁导率一一对应。
类 比于电磁超材料，便有了声学超材料(Acoustic Metamaterials，AMM)的概念，它是由不同弹性模量和质量密度的材料构成 的周期性人工复合结构，对弹性波或声波具有带隙阻隔效应，主要应用于隔振、声隐身、波导、成像等方面。
声波或弹性波 在其中传播时，不仅能够实现自然界中不存在的负声学特性，而且还具有声学隐身、亚波长成像、逆折射/反射、单一路径传播、以及能量聚焦等功能。
1声学超材料基本理论概述2000年，Liu18等人在《Science》上发文首次提出了声学超 材料的概念。
声学超材料又叫弹性超材料(Elastic Matamaterial)或局部共振(Local Resonant)型超材料，与声子晶体(Phononic Crystals)不同的是声学超材料基于局部共振原理形成带隙分 布，而声子晶体则基于布拉格(Bragg)散射机制形成带隙。
由于声子晶体对布拉格散射机制的依赖使之不适宜低频 域下的波处理和振动隔离,这是由于低频域下波长较大，会导 致低频隔振时声子晶体的结构非常庞大，使之很难在小尺寸 得到低频带隙。
而对于局域共振型超材料，禁带的位置和宽 度主要是由散射体的局域共振特性决定的，与他们的排列方 式无关。
通过引进特殊设计的局部共振微结构，超材料带隙 可以在一个较低的频域下产生，这样所能控制的波长就可以 远大于超材料微结构本身，所以应用更加广泛。
2004年,L i和Chan®将有效质量概念应用到声学超材料 中，同时在他们的研究过程中发现有效密度与弹性模量可以同的位置，对于温度过高的设备也是如此，虽然不能直接通过 APP对温度过高的设备进行断电处理，但也可以通过第一时 间确定位置，以高效的速度采取措施。
另外，通过设置，工作 人员可以选择让自己责任范围内的设备优先显示，这样就可 以及时对自己负责的设备进行检修与养护，实行责任化分区 管理，会更利于设备的养护。
(6) APP报警对于重大的故障，要对网络内连接的所有用户进行警报 处理，然而对于区域内的小问题，或是设备温度稍微偏高的问 题，只需对直接的责任人以及相关部门进行警报处理,以促进 问题的解决[3]。
这就要求APP设置的灵活性，本系统之下，所 有的用户都会有唯一的账号，在平台搭建初期，操作人员需要 将所有APP用户的账号依据职责和职权进行分类处理，在平 台内构件出一套虚拟的电力工作者工作网络图，依据工作网 络图对工作人员的APP显示以及警报进行分类处理'(7) 安全问题APP具有信息交互功能，为了避免无关人员利用电网工作 人员的手机向总平台输入错误的指令，需要在用户输入指令 后，确定指令有效之前，要求APP用户输入确认身份信息的独 立密码，并且需要依据全责，明确软件内信息的提取、利用权限。
(8) 界面设计为了便于广大基层工作者的使用，减轻人工培训的负担，本APP采用相对简洁的界面，力求让使用者一目了然,翻页式的视觉设计之下，种种信息都清晰的以模块式的表达形式展现在使用者面前，使用者只需要简单了解体验，就可以应用本系统。
警示功能启动时，醒目的警示信息会伴随警示音乐直接出现在用户的屏幕上，无论此时使用者是否在使用软件，都可以接到警示提示。
4结语变电设备、通电设备的检测与维护往往需要较大的人力投入，本文研究的基于安卓系统的在线热成像温度监测软件可以有效地实现对于变电、通电设备的远程监控，并且直接地信息传递到工作人员的手机上，极大地简化了电力系统工作人员对电力设备进行维护的工作步骤。
参考文献：[1]邓晓刚，陈卫红,杨明辉.过程控制实验装置实时监控软件开发[J].实验科学与技术,2014,12(6):57-59.[2]张艳，田竞，叶逢春，等.基于红外传感器的高压开关柜温度实时监测网络的研制[J].高压电器,2005, 41(2):91-94.[3]杨智超，黄小乔，陈飞宇，等.基于红外通信的温度实时监控系统的设计[J].电子制作，2016(13):5-6.[4]孙宇贞，胡超,方永辉.基于MLX90621红外传感器的开关柜温度无线监测系统设计[J].红外,2016, 37(12):13-18.42时为负，并指出负质量密度意味着对某一点施加一个外力，它 的位移方向与受力方向相反，而且由牛顿第二定律可知这一点 所受力的方向与加速度方向也是相反的，由此得出了在振动频 率接近局部共振频率时有效质量密度会出现负值的结论。
目前大部分研究人员对于声学超材料的研究都侧重于一 维杆状结构，他们所建立的子结构胞元大都是由集中质量与 理想弹簧构成的，并且这种子结构胞元还可以产生一个有效 带隙，使某一个频率范围内的弹性波无法向前继续传播。
一 维声学超材料结构可以很好地应用于理论研究，但是一维声 学超材料结构的应用范围很有限，实际应用最广的往往是二 维、三维结构。
2声学超材料微结构类型及发展无论是质量、密度还是体积模量在某一频域内为负值，那 么将会导致这一频域变为阻带。
负等效质量类型超材料的实 现方式较为多元，其低频共振特性通过附加声振子质量获得。
负体积模量的实现相对单一，空气中亥姆霍兹共振器几乎是 唯一途径,水中则为气泡共振体[4]。
通常人们将声学超材料按 照负参数的不同分为负等效质量超材料、负体积模量超材料 以及“双负”超材料。
而本文本则按照形成带隙结构形式的不 同进行分类，主要有:弹簧质量型微结构、穿孔形微结构(Perforated micorastructural)、薄膜型微结构 以及亥姆霍兹型等。
2.1弹簧质量型微结构在初始时期对声学超材料的研究，往往在简单的弹簧一质 量晶格结构上对其频率阻带的分布进行研究，如图1所示气 这是由于制造出这种结构比较容易，而且对建立模型进行数 学分析也易于实现。
所以目前以弹簧质量结构为基础所设计 出的超材料应用也是最为广泛。
21^[«等人利用弹簧质量模型对二维声学超材料薄板结构 进行了研究，这种连续结构用于研究具有谐振器的弹性超材 料中的波动和带隙。
与应用一般的连续性理论相比较，其有 效的质量密度与频率相关且为负，微观结构连续模型的最大 优点是局部的微观结构的变形或运动与附加的运动变量有关。
弹簧质量局部共振微结构对于弹性波的阻隔效果很好, 所以这种结构被大量应用于机械隔震，建筑隔震等方面。
同时由于中心的质量块在高频地振动，可以在质量块外部加装 磁场，这样在隔震的同时还可以发电，在发动机等产生振动又 消耗电能的装备上也有很大的潜力。
2.2穿孔形微结构基于布拉格散射机制，通过在金属平板上周期性布置通 孔便能产生能量带隙，阻隔弹性波的传播。
但是孔的直径需 要与所控制的波长相匹配，这样便导致在低频域内声子晶体 的体积急剧增大。
为了使具有紧密排列通孔结构的平板能够 在低频域下产生带隙，可以在通孔中添加局部共振机制来实 现。
2010年Sun ra等人通过在圆形通孔下方覆盖一层薄膜来 组成微结构的一个共振单元，如图2所示。
单元结构中圆孔 是由机械加工而成，钢质样板是由16x10个小孔组成,孔的半 径为4.475mm、孔深5.05mm、薄膜厚度为0.29mm,所产生的带隙分布为173到212k H z之间。
虽然以上结构可以产生负 参数超材料，但是通过去除体积的方式会导致材料整体结构 强度下降，部分区域在受力过程中会产生应力集中，这会极大 地阻碍它在实际工程中的应用。
图2添加薄膜后的微结构细节图Yanyu Chen®则设计了一种能够衰减声波或振动波传输 的连续微结构，其带隙机制是由局部共振与布拉格散射共同 影响下形成的。
值得注意的是，能产生宽频率带隙分布的结 构中，桁架结构占有更小的空间体积，意味着这种结构在将来 的轻量化超材料设计中具有很大潜力；并且这种机械增强型 超材料结构能够应用于恶劣环境中，如深水工程中高静水压 力与高动态加载共存的情况。
2_3薄膜型微结构通常来讲噪声衰减是声学超材料应用最广泛的一个方面,薄膜——平板型超材料与其他超材料相比，通常而言质量更 轻，而这一特点对于噪声调节来说至关重要。
它们一般具有 形状简单、易于调节有效参数的特点，最重要的是通过特殊设 计可以获得宽频带分布的负有效质量。
此外，薄膜形平板声 学超材料不会强烈依赖于精确的有效媒介特性，比如，只要有 效质量为负值、产生大的传声损失即可。
薄膜形超材料通常而言具有两种大的类型，一种是薄膜 中心附带有质量块的结构，另一种则不带有质量块。
Yang™等 人首先设计出了薄膜型声学超材料，如图3所示。
在圆形弹 性薄膜上固定质量块，并将薄膜拉伸后固定于框架内部，能在 200~300H z内形成负等效质量，通过改变中心质量块的大小或 薄膜的张力会产生不同的带隙分布。
由于单个振动单元只能 产生一个带隙，为实现宽带隙下的波衰减，可将多个膜状局域 共振声材料叠堆起来，每一片工作在不同的频率区间,这样就 能够拓宽总体的有效频带，能够很好地实现低频下衰减声波 的轻量化结构设计，更符合工程应用。
A_/fi/-W-\f7图3中心附带质量块的薄膜微结构薄膜形超材料质量轻盈是其最大优点，但是在实际应用 过程中，薄膜对于应力变化极为敏感(如温度变化及湿度变化 都可能对薄膜施加不同程度的应力），而这一变化会影响到整 个超材料板的功能实现。