2022 Fiscal Year Research-status Report
Computer simulation of double-negative acoustic metamaterial composites
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20K11848
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| Research Institution | Gifu University |
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Principal Investigator |
寺尾 貴道 岐阜大学, 工学部, 教授 (40271647)
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2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | メタマテリアル / 大規模シミュレーション / 弾性波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
現在までの進捗状況は、下記の通りである。(1) 質量密度と弾性率という2種類の物性値の両方が共に負の値を示す、ダブル・ネガティブ・メタマテリアルを含む複合材料に関して、その波動伝搬特性を定量的に明らかにした。(2) メタマテリアルと通常の媒質を組み合わせた複合材料において、要求された波の透過特性を実現可能な構造を設計する、という最適化問題を解く事は重要な課題である。本研究代表者はこの問題に関して、独自の解析手法の開発を行っている。令和4年度においては、この分野に関する研究をさらに発展させている。(3) 音響メタマテリアルに関連する話題として、海外で実験が行われている地盤中の弾性波伝搬の問題に関して、その数理モデルのシミュレーション解析に関する予備的な研究を行った。(4)上記の研究において得られた一連の結果に関しては、2023年度に開催される国際会議において発表予定である。またその他の結果に関しても、投稿準備中である。
上記の結果から、本研究課題における進捗状況については、順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策は、以下の通りである。次年度の研究においては、令和4年度において開発が行われたメタマテリアル複合材料に適する独自の最適設計手法に関して、更なる性能向上に関する研究を行う。並行して、上記の計算手法を新たな研究対象に適用することにより、高度なメタマテリアル機能材料の設計に関する大規模シミュレーションを行う。一般に、この様なランダム・メタマテリアル複合材料における研究においては、膨大な計算時間が必要となる事例が数多い。この問題は、高次元系、あるいは形状が複雑な系の解析においてより顕著となる。本研究では独自の計算手法を導入する事により、従来の計算手法ではアプローチが困難である未解決の諸問題について、数値的研究を行う。
また関連する問題として、音響メタレンズに関する研究を行う。具体的には音響メタレンズにおける弾性波の伝搬特性について、その物理的性質の解明を行う。また一連の研究課題に関して、音響メタレンズの解析に適した新たな計算手法の開発を行う。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じているが極めて少額であり、当初の研究計画および交付申請書の記載内容に沿って研究が遂行されている。次年度においても、予定通り当初の研究計画を推進する。
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