npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041


Research Paper

New Physics: Sae Mulli 2016; 66: 930-935

Published online July 29, 2016

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Negative Refraction of Ultrasound in a Two-Dimensional Prism-Shaped Phononic Crystal

프리즘 형태의 2차원 포노닉 크리스탈에서 초음파의 음의 굴절

Yoon Mi KIM1, Kang Il LEE*1, Hwi Suk KANG2, Suk Wang YOON2

1 Department of Physics, Kangwon National University, Chuncheon 24341, Korea
2 Department of Physics, Sungkyunkwan University, Suwon 16419, Korea


Received: March 14, 2016; Revised: May 27, 2016; Accepted: June 20, 2016

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

The present study aims to investigate theoretically and experimentally the negative refraction of ultrasound in a two-dimensional prism-shaped phononic crystal with a square lattice in water. Using the finite element method, we calculated the acoustic band structure along the $\Gamma$X direction of the first Brillouin zone of a two-dimensional phononic crystal consisting of periodic square arrays of stainless-steel solid cylinders with radii of 0.5 mm and with a lattice constant of 1.5 mm in water. Based on the calculated band structure, the pressure fields of ultrasound transmitted through the phononic crystal in water were calculated over a wide frequency range from 0.5 to 1.0 MHz by using the finite element method, and they were measured experimentally to validate the predicted results. The positive and the negative angles of refraction obtained by using both the finite element method and the refraction experiment were in good agreement with those calculated by using Snell’s law.

Keywords: Metamaterial, Phononic crystal, Acoustic band structure, Negative refraction, Finite element method

본 연구에서는 수중에서 정방형 격자를 갖는 프리즘 형태의 2차원 포노닉 크리스탈을 투과한 초음파의 음의 굴절을 이론 및 실험적으로 고찰하였다. 먼저 유한요소법을 이용하여 수중에서 0.5 mm의 반경을 갖는 원기둥 형태의 스테인리스 스틸 막대가 1.5 mm의 격자상수를 갖도록 정방형으로 배열된 2차원 포노닉 크리스탈의 첫째 브릴루앙 영역의 $\Gamma$X 방향에 대하여 음향 밴드구조를 계산하였다. 계산된 밴드구조에 의거하여 0.5부터 1.0 MHz까지의 주파수 대역에 대하여 유한요소법을 이용하여 수중에서 초음파가 포노닉 크리스탈을 투과한 음장을 계산하였으며, 예측된 결과의 타당성을 검증하기 위하여 초음파가 동일한 형태로 제작된 포노닉 크리스탈을 투과한 음장을 측정하였다. 또한 유한요소법 및 실험에 의하여 확인된 양 및 음의 굴절각을 스넬의 법칙을 이용하여 계산된 결과와 비교하였으며, 유한요소법, 실험, 및 스넬의 법칙에 의하여 얻어진 각각의 결과가 서로 잘 일치하는 것으로 나타났다.

Keywords: 메타물질, 포노닉 크리스탈, 음향 밴드구조, 음의 굴절, 유한요소법

Fig. 1. Theoretical pressure fields of ultrasound transmitted through the two-dimensional prism-shaped phononic crystal in water for frequencies of (a) 750 kHz and (b) 720 kHz.

Stats or Metrics

Share this article on :

Related articles in NPSM