Computer simulation of double-negative acoustic metamaterial composites

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自然界における通常の弾性体材料において、質量密度と弾性率という2種類の物性値は共に正の値を有する。音響メタマテリアルとは、その少なくともどちらか片方が負の値を示すような人工材料の総称であり、その特異な物理的性質に関する研究が行われてきた。関連する研究として、電磁メタマテリアルの問題が挙げられる。この両者の間においては、弾性波（電磁波）の伝搬特性について、物理的に似た性質が出現する事が期待される。令和4年度においては、通常の弾性体と音響メタマテリアルの組み合わせからなるランダム複合材料に関する研究を行った。関連する話題として、電磁メタマテリアルを用いたランダム多層膜において、電磁波が空間的に局在する現象が研究されている。この問題に関して、誘電率がほぼゼロに近い値を示す特定の周波数領域近傍においては、電磁波の局在長が非常に増大するという現象が報告されている。本研究課題においては、音響メタマテリアルが関与するランダム・メタマテリアル多層膜の性質に関して数値シミュレーション研究を行い、弾性波に関する局在長の振動数依存性について定量的に明らかにした。近年、メタマテリアル複合材料における最適設計の研究が盛んに行われており、様々な解析手法が提案されている。本研究では、メタマテリアル多層膜の最適設計に適した独自の方法を提案している。この方法は、従来用いられている最適手法と比較して、局所最小解（ローカルミニマム）にトラップされる事が少ない、或いは並列計算を行う際の計算機への負荷が少ない等という特長がある。この設計方法は、メタマテリアルを利用した新たな機能材料としての発展、および将来的な産業応用に役立つ事が期待される。