声学超材料中负密度与负模量的起源

本文为声学超材料的有效密度与模量提供综述与基本物理解释。我们引入隐力与体积隐源的术语：当隐力或体积隐源分别大于且在反相状态下作用于无它们时所能获得的力或体积变化时，有效密度或模量为负。我们对一些基于膜、亥姆霍兹谐振器、弹簧和质量的既有声学超材料证实了这一假设。例如，基于膜的声学超材料的隐力来自膜张力产生的力。基于亥姆霍兹谐振器的超材料的隐源来自谐振器腔注入的额外空气体积。我们还解释了纯质量-弹簧系统的类似概念，此时隐力可源于固定在其他质量内部的质量和弹簧，而隐源——在此情况下更贴切地称为位移隐膨胀器——可源于耦合到机械运动额外自由度的轻刚性桁架，例如耦合到垂直于波传播方向运动的质量的情况。这一整体图像为概念理解和设计新型声学超材料提供了有力工具，并避免了确定此类材料有效参数时的常见陷阱。