声学超材料是一种人工设计的材料,具有反常调控声波传播的性质。与光子晶体或声子晶体的尺度是“波长”量级不同,声学超材料是“亚波长”尺度的,即其结构单元的尺度远小于工作波长。由于这一特点,在声学超材料中传播的声波不能分辨其结构,所以声学超材料可被视为均匀的等效介质,可用等效质量密度和等效弹性模量等声学参数来描述。声学超材料实现了许多自然界中常规材料所不能实现的奇异声学效应,例如负折射,声学隐身,平板聚焦,声超常传输,反常多普勒效应等。本论文以超材料的基本原理和声学局域共振思想为理论指导,通过仿真计算和实验测试的方法,设计了负等效质量密度局域共振结构模型,先后构建了空气介质与水介质中的负等效质量密度声学超材料。进一步,设计的负等效质量密度微结构单元与其他负等效弹性模量微结构单元相耦合,实现了空气介质与水介质中的双负参数声学超材料,并实验验证了所设计声学超材料的奇异声学性质。本论文的主要工作可以概括为如下几个方面:1.负等效质量密度空心管声学超原子的提出提出了一种局域共振的空心管超原子模型,并制备了双层空心管声学超材料。理论分析表明,空心管的谐振频率与它的管长密切相关:管长越短,谐振频率越高。实验测定结果表明,空心管内径越大,参与谐振的空气介质越多,谐振强度越强。通过基于均匀媒质理论的提取参数法,从内径9.6 mm的双层空心管超材料的透射、反射系数中提取参数得到的等效质量密度在1520-1930 Hz范围内为负值。利用COMSOL Multiphysics仿真软件的计算结果与实验测量结果合理吻合,证明了结构模型的正确性。2.空心管—开口空心球耦合结构实现双负参数声学超材料将负等效质量密度空心管与负等效弹性模量空心球相耦合,实现了双负参数声学超材料。空心管的内径选为9.6 mm,空心球的外径选为25 mm,壁厚0.5 mm,开口孔径6 mm。将空心管与空心球排列成双层空心管、双层空心球的结构,通过空心管与空心球的共同谐振,在1612-1654 Hz频带范围内实现了等效质量密度与等效弹性模量同为负值。通过一个边长为85 mm的正方形样品,证明了双负参数声学超材料具有?7的亚波长分辨能力。3.超原子簇结构的宽频带负等效质量密度声学超材料设计了由不同长度空心管超原子组成的宽频带谐振的空心管超原子簇结构,论证了不同管长空心管谐振时相互之间只存在弱相互作用,构建了宽频带负等效质量密度声学超材料。选取内径为5 mm,壁厚1 mm的聚乙烯空心管,分别以98 mm,68 mm,48mm和29 mm长度空心管为结构单元制备了一系列超材料样品并测定其透射、反射曲线,实验证明了随管长减小空心管的谐振频率升高的规律。设计了一种由7种长度(管长分别为98 mm,68 mm,51 mm,48 mm,41 mm,32.5 mm和21 mm)空心管超原子组成的超原子簇,并以这种超原子簇为结构单元制备了双层声学超材料。实验证明,不同空心管超原子单独谐振时与它们组合在一起谐振时的谐振频率相同,证明了空心管谐振时相互之间没有强耦合作用。上述超原子簇超材料样品实现了从1560 Hz至5580 Hz的宽频负等效质量密度,并在相应频带范围内实现了负等效折射率。4.水介质中的负等效质量密度声学超材料以空心管为结构单元,实现了水介质中的负等效质量密度声学超材料。一方面,水介质与空气介质在空心管中具有相同的谐振机理,它们均在谐振频率附近通过声介质的加速度方向与声场驱动力方向相反而实现负等效质量密度。另一方面,在两种介质中谐振时空心管的谐振频率均与管长密切相关,通过精心设计空心管的几何尺寸,将其谐振频率从可听声频段调谐到超声频段。在上述基础上,将空心管结构声学超材料从空气介质推广到水介质。选用内径2.6 mm,管长9 mm的空心管制作双层空心管声学超材料,在水介质中实现了35.31-35.94 kHz范围内的负等效质量密度,并在对应频带内实现了负折射率。COMSOL仿真计算结果进一步证明了空心管超材料在水介质中实现负等效质量密度和负等效折射率的正确性。5.超声频段双负参数声学超材料的研究将空心管超原子和开口空心球超原子整合成一种结构简单的钻孔空心管超分子结构,并基于该超分子结构制备了水介质中的双负声学超材料。在水介质中,钻孔空心管在谐振频段能同时产生空心管谐振和空心球谐振两种形式,从而同时实现负等效质量密度和负等效弹性模量。通过实验测试和仿真计算得到的透射、反射曲线均表明,钻孔空心管声学超材料具备双负参数的透射、反射特征。进一步提取参数得到的等效质量密度和等效弹性模量在36.77-36.94 kHz范围内同时实现了负值。实验证明,设计的双负参数声学超材料在双负参数频带内具有平板聚焦效应。