声超表面对声波的操控及其应用

发布时间：2020-08-14 21:36

【摘要】：在过去多10年里,声学超材料的研究受到人们越来越多的关注。声学超材料是一种人工的复合材料,其单元尺寸远小于波长,即亚波长尺寸。因此,声超材料的属性可以由等效媒质理论来解释,并具有很多自然材料所不具备的特殊性质,比如负质量密度、负弹性模量、各向异性参数等。最近,出现了一种超薄的超材料,称为“超表面”。声超表面基于声相位的突变实现波阵面的自由调控,打破了对传播效应的依赖,可以任意调控具有亚波长分辨率的波阵面的形状。例如,可以利用声超表面实现异常折射/反射、平面聚焦、非衍射束、声吸收及声涡旋等。研究宽带及轻薄的超表面器件不仅具有重要的科学意义,并有望在实际应用中产生显著价值。基于上述研究背景,本文研究了声超表面对声波的操控及其应用。在第一章中,介绍了研究的背景和相关的理论,关于广义斯奈尔定律的理论推导和声超表面设计的研究进展。在第二章中,首先提出了无色散波阵面操控的概念,设计了能够突破带宽限制并任意操控声波阵面的人工反射表面,证明了超宽带的异常反射、声聚焦和非衍射束,并基于相控阵理论提出了一个物理模型来解释波束操控现象,为宽带声学器件的研制提供了新的思路。随后,提出了可同时在基频及倍频处工作的多频声超表面的设计理论,打破了基于共振的传统声超表面只能在单一频率下工作的限制,使得声超表面适用于非线性声源情况。在第三章中,首先设计和制备了一个能够在宽带内实现单向声传输的直通道,包含一个比波长更宽的间隙,可用作流体或物体的通道。其后,提出了具有平直内壁、完全开放的单向声学隧道的设计原理,并在实验上制备了器件。基于此,提出了在无源多端口体系中打破任何两个相邻端口之间声传输对称性的机理,并可以任意调节端口数目和端口位置。最后,实验证明了角动量偏置谐振腔中的非互易声传输现象,实现了在低转速下实现角动量偏置的新机制。以上四种非对称声传输机制将有助于新型声学单向器件的设计。在第四章中,证明了通过调控声超材料中的损耗,可以同时和解耦地操控反射波的振幅和相位,实现声波的精细操控。通过实现高质量的非衍射束、多焦点声聚焦、高保真二维单平面声全息和多平面三维声全息,证明了提出的方法的重要性,其效果优于传统的纯相位方法。该机制通过操控声超表面中的损耗,打开了新的声波调控自由度,对新型声学器件的制备有重要意义。在第五章中,基于声超表面概念提出了超薄平面施罗德扩散体,获得了不亚于传统商用器件的声学漫反射性能,其厚度则比传统施罗德扩散体小一个数量级。通过设计混合结构,进一步改善了超薄平面施罗德扩散体的带宽。该设计不仅提出了有望在建筑声学及相关领域产生深远影响的声学单元,也向声超表面的实际应用迈出了重要的一步。在第六章中,总结了主要的结论和未来工作的展望。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

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