基于新型声学人工结构的声波调控研究

发布时间：2020-03-25 05:11

【摘要】：声学人工材料由于其在消声降噪,全息声学,粒子操控及国防军事等领域具有重要的应用,已成为声学领域的研究热点。设计具有特殊结构的声学人工材料可以实现各种新奇的声学效应,如:负折射、自弯曲束、螺旋束、无衍射束、漫反射及声聚焦等。与传统声学材料相比,声学人工结构具有小尺寸,调控灵活及智能化等优点,具有广泛的应用前景。本论文基于声学人工结构设计实现了多种新型声学器件。除第一章绪论和第八章总结和展望之外,主要工作分为六个部分:(1)声学人工结构的相关理论与方法;(2)基于多端口圆环波导的宽频带声逻辑门;(3)基于声超纤维簇的声波调控;(4)基于弯曲波导的多频带多机制声单向传输器件;(5)基于双层超表面的声单向聚焦器件;(6)可编程声拓扑绝缘体。在第二章中,介绍声学人工结构的相关研究理论与方法,如:广义Snell定律、基于传递矩阵的等效参数反演及声子晶体能带理论,为研究基于声学人工结构的声超表面、声纤维簇、声逻辑门和声拓扑绝缘体提供相应的理论基础。在第三章中,提出并实现了基于多端口圆环波导结构的宽频带声逻辑门。基于声线性干涉机制,通过调控多端口圆环波导中两个输入信号之间的相位差与传播路径,在3.64-8.92kHz范围,基于同一阈值分别实现了或、非、与、异或及同或逻辑门。此外,通过连接基本逻辑门分别实现或非和与非复合逻辑门,并详细讨论了基于四端口圆环波导的复杂逻辑运算C+A×B。与其它声逻辑器件相比,所提出的声逻辑器件具有宽频带、同一阈值、结构简单易连接等优点,为新型声通信和逻辑运算器件提供理论方案与设计思路。在第四章中,提出一种多功能宽频带声超纤维簇。基于声超纤维单元结构的本征模式,声纤维簇的工作带宽与中心频率之比可达到0.25。改变超纤维单元的几何参数,可以实现覆盖2π范围的相位延迟,基于不同相位分布的声纤维簇可以分别实现单负声折射、双负声折射及声聚焦等多种新奇声学效应。此外,基于声超纤维簇结构简单与灵活易弯折等特性,实现了聚焦焦点位置调控及声隐身斗篷。声超纤维簇在声通讯与国防军事等领域具有重要的应用价值。在第五章中,设计实现一种浸没在水中含内置声子晶体的弯曲波导结构多频带多机制声单向传输器件。在500 kHz以下,器件存在三个不同的声单向传输频带,分别由声子晶体带隙、声子晶体的聋哑模式及声子晶体与波导结构相互作用三种不同的机制引起。此外,旋转声子晶体的单元方柱可以实现声单向传输频带的调控。所提出的声单向传输器件具有多频带,多机制及可调控等特性,在医学超声领域具有广泛的应用前景。在第六章中,基于双层声超表面设计实现了声单向聚焦透镜。当声波从左侧入射,经双层超表面在透镜右侧聚焦,焦点分辨率仅为0.4倍波长;而当声波从右侧入射,转换为表面波限制在右侧超表面,无法到达透镜左侧。与传统声聚焦透镜相比,声单向聚焦透镜可明显降低反射声能量。该效应是由双层超表面的非对称相位调控引起,与传统单层超表面透镜不同,两层超表面的相位延迟分布相互关联,可以实现更加丰富的声传播调控。此外,改变双层超表面的间距,可以实现聚焦焦点位置的调控。实验测量与数值模拟结果吻合很好。声单向聚焦透镜具有亚波长聚焦,平面结构及可调控等优点,在聚焦超声治疗与医学超声成像领域具有重要的应用价值。在第七章中,提出并实现了可编程声学拓扑绝缘体。可编程声学拓扑绝缘体由两种数字单元“0”或“1”组成,分别对应于具有不同直径的圆柱组成的蜂窝型声子晶体。基于不同数字单元分界面的赝自旋相关边缘模式,改变拓扑绝缘体的编码序列,可实现声传播的自动控制。此外,基于单片机控制的气缸对声子晶体单元进行操控,可以实现不同的数字编码“0”或“1”,实验实现了可编程拓扑绝缘体,在此基础上,基于可编程的声拓扑绝缘体分别设计实现声单刀双投掷开关及逻辑功能可反转的声逻辑门。可编程拓扑绝缘体的可重构与可编程特性极大促进了智能声学领域在各个领域中的应用,如:集成声学,声加密通信和声信息处理等。
【图文】：

声子晶体,局域,整体结构,截面

基于新型声学人工结构的声波调控研究2图1.2 局域共振声子晶体的(a)单元截面与(b)整体结构[9].FIG.1.2 Schematic of (a) unit cross section and (b) overall structure of local resonant soniccrystals.1.2 声超表面2011年，，一种超薄二维人工材料—超表面被提出。基于广义Snell定律，可以将超表面概念引入到光学领域，为光波的操控带来更多的可能性，从而为实现各种新奇的光学效应提供了新思路。声波也同样遵循Snell定律，受该工作的启发，研究人员同样提出了声超表面[15-38]材料，在消声降噪，全息声学，粒子操控，军事工程等领域具有重要的应用价值。然而，电磁超表面的设计方法无法直接应用到声超表面中

亥姆霍兹,表面单元,共振腔,空间

、无衍射束、漫反射及声聚焦等。图1.3(a)为蜷曲空间型反射式声超表面[15]，声波在蜷曲空间型结构中沿着弯曲的通道传播，当弯曲通道长度大于单元的几何尺寸时，可以实现对大波长声波的相位调控。由于声波经过一定长度的弯曲通道，反射声波的相位相对于入射声波存在一定的相移，相移大小与弯曲通道的长度相关，因此，调整蜷曲空间的蜷曲度可以实现覆盖整个2π范围的相位调控。然而，蜷曲空间与自由空间存在阻抗匹配问题，通常只能在特定的工作频率实现，从而造成基于蜷曲空间的声超表面单元频带较窄。如图1.3(b)，基于亥姆霍兹共振的声超表面单元[16]由四个亥姆霍兹腔与中间直通道构成。变化共振腔的几何参数可以实现共振特性的调制
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB5

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