Increasing the number of closely-packed air bubbles immersed in water changes the frequency of the Minnaert resonance. The collective interactions between bubbles in a small ensemble are primarily in the same phase, causing them to radiate an axially symmetric field that peaks at a frequency lower than the Minnaert resonance for a single bubble. Differently, large periodic arrays include bubbles that are further apart than half the wavelength so that collective resonances have bubbles oscillating in opposite phases, ultimately creating a fundamental resonance at a frequency higher than the single-bubble Minnaert resonance. This paper explains the transition in resonance behavior through a modal analysis of a mass-spring system and a boundary element method. We significantly reduce the computational complexity of the full-wave solver to a linear dependence on the number of bubbles in a rectangular array. The simulated acoustic fields confirm the initial downshift in resonance frequency and the strong influence of collective resonances when the array has hundreds of bubbles covering more than half the wavelength. These results are essential in understanding the low-frequency resonance characteristics of bubble ensembles, which have important applications in diverse fields such as underwater acoustics, quantum physics, and metamaterial design.


翻译:在水中浸泡的紧密包装的气泡越来越多,这些气泡在水中增加,从而改变Minnaert共振的频率。小混合体中泡沫之间的集体互动主要处于同一个阶段,导致它们散射一个轴对称场,以比Minnaert共振的频率低的频率峰值为单一气泡峰值。不同的是,大型定期阵列包括气泡,这种气泡比半数波长更远,因此集体共振的气泡会在不同阶段相振动,最终在比单泡Minnaert共振的频率更高的频率上产生基本共振动。本文通过对质量混合系统和边界要素方法的模型分析,解释了共振行为的转变。我们大大降低了全波溶解器的计算复杂性,使之对矩形阵中泡沫数量的线性依赖。模拟声学场证实了共振动频率的初始下调和集体共振效果,当阵列中阵列有数百个气泡的模型设计特性,这些是比半波度高的气压的气压模型,这些是基本结果。

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