In the present study, the self-collimation of ultrasound was theoretically and experimentally investigated in a two-dimensional phononic crystal with a square lattice immersed in water. The acoustic band structure of the phononic crystal was calculated by using the finite element method, and the acoustic pressure fields at the frequencies of each band were calculated with and without the phononic crystal in the acoustic path. Ultrasonic waves were theoretically found not to be allowed at the frequencies of the bandgaps and were self-collimated at the frequencies of the second transmission band due to the negative refraction. The self-collimation of ultrasound was experimentally observed in the same two-dimensional phononic crystal as with the theoretical modeling. In conclusion, we theoretically and experimentally verified the self-collimation and the directivity enhancement of ultrasound in a two-dimensional phononic crystal immersed in water.

Keywords: Acoustic metamaterial, Phononic crystal, Band structure, Negative refraction, Self-collimation

본 연구에서는 정방형 격자를 갖는 수중 2차원 포노닉 크리스탈에서 나타나는 초음파의 자체조준을 이론 및 실험적으로 고찰하였다. 먼저 유한요소법을 이용하여 포노닉 크리스탈의 밴드 구조를 계산하였으며, 각각의 밴드에 해당하는 주파수에 대하여 음파 전파 경로 사이에 포노닉 크리스탈의 유무에 따른 음장을 계산하였다. 이로부터 밴드갭 주파수에서 초음파의 차단이 나타나며, 음 굴절이 발생하는 투과밴드의 주파수에서는 자체조준이 나타나는 것을 이론적으로 발견하였다. 또한 이론에서 이용된 포노닉 크리스탈과 동일하게 제작된 2차원 포노닉 크리스탈에서 초음파의 자체조준을 실험적으로 관찰하였다. 결론적으로 수중 2차원 포노닉 크리스탈을 초음파가 투과할 때 자체조준이 발생 및 지향성이 향상되는 것을 이론 및 실험적으로 증명하였다.

Keywords: 음향 메타물질, 포노닉 크리스탈, 밴드 구조, 음 굴절, 자체 조준