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 a spherically-symmetric field that peaks at a frequency lower than the Minnaert resonance for a single bubble. In contrast, 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 work investigates the transition in resonance behavior using 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:增加水中密集排列的气泡数量将改变Minnaert共振的频率。小集合中气泡之间的集体相互作用主要处于同相位,导致它们辐射出一个球对称场,在比单个气泡的Minnaert共振频率更低的频率峰值处。相比之下,大的周期阵列包括间距大于半个波长的气泡,以便集体共振中的气泡振荡于相反的相位,最终在比单个气泡的Minnaert共振频率更高的频率上产生基本共振。本研究采用质量-弹簧系统的模态分析和边界元方法来探究共振行为的转变。我们将完全波求解器的计算复杂度显著降低到对矩形阵列中气泡数的线性依赖。模拟声学场证实了共振频率的下移以及当阵列中有覆盖超过半个波长的数百个气泡时,集体共振的强烈影响。这些结果对于理解气泡集合低频共振特性至关重要,这在水下声学、量子物理和超材料设计等各个领域具有重要应用。

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