基于人工超构材料的多功能声场调控特性研究
发布时间：2021-03-25 07:55
随着社会的发展和科学的进步,为了满足人们对多种功能材料的需求,研究人员的视野逐渐由传统的天然材料拓宽到了人工超构材料。作为其中的重要分支,经典波体系衍生出了与电子晶体所类似的光/声子晶体这一概念,从而为多重波动特性的人工调控提供了新手段。本文着重对基于三组元单元晶胞的人工声学超构材料进行了相关探究,利用其负折射、全反射以及禁带、界面局域态等反常声学特性,设计了包括声学超透镜、声学管状直/弯曲波导以及声学变向/定向传输通道等在内的多功能人工声场调控结构。论文的主要内容包括:1.以三组元单元晶胞为基础设计了多边形超透镜结构,实现了对声波传输波阵面的人工负折射调控,从而令其产生高效率的声波聚焦现象。聚焦点处声压的强弱取决于入射声波的频率,越接近共振频率,声压幅值越高。此外,基于频率与波长的对应关系,利用人工周期多边形透镜结构也可以对出射聚焦点的尺寸大小进行相关调控。2.设计和探究了包括管状直波导、弯曲波导以及杠铃型波导在内的多种人工波导结构。利用入射声波与结构之间的相互作用实现了对传输波阵面的调控,从而降低了传输过程中的声能损耗,提高了远距离声波输运的传播效率。此外,这种人工周期结构的设计有...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同空间维数下的声子晶体
中北大学学位论文4纪初期Liu[26]在《科学》上刊登和介绍了局域共振型声子晶体以来，作为其中核心成果之一，该种结构产生低频带隙的原因及机制便受到了广泛的关注。科研人员依次开展了对Fano-like效应[51]以及谐振单元与长波行波之间的相互耦合效应[52]的相关探究。在2005年，刘正猷教授团队[53]在长波条件下发现了三组元共振散射体的负质量密度。自此之后，负质量效应以及负弹性模量的设计思路便进入了大众的视野。梅军教授等人[54]在2006年通过多重散射机理详细研究和阐述了一种由柱状散射体嵌入空气或水等流体介质中所构成的声学系统，并对其等效参数进行了分析，给出了动态及静态质量密度间的关系，创新性地指出负质量效应是谐振单元的负动态响应所导致的。后续针对这一结论，科研人员以赫姆霍兹(Helmholtz)谐振腔为原胞设计和构造了一种人工声学结构，从而实现了声学的负弹性模量[55]。此外，也有研究人员以一种薄膜型结构为原胞对超构材料进行设计，并有效实现了声学的负质量密度[56]。这些“单负”声学参数的实现，标志着人们已经能够从一些反常声学现象的表面看到其内在的物理本质，并根据这些理论对所需声学超构材料进行逆向设计和按需定制。(a)(b)(c)图1-2不同传播模式的声子晶体(a)体波模式[20]；(b)表面波模式[17]；(c)兰姆波模式[19]Fig.1-2Phononiccrystalswithdifferentmodesofpropagation.(a)Bodywavepattern[20];(b)Surfacewavepattern[17];(c)Lambwavepattern[19]
中北大学学位论文5(a)(b)图1-3不同种类的声子晶体结构。(a)Bragg散射型[14]；(b)局域共振型[26]Fig.1-3Differentkindsofphononiccrystalstructure.(a)Braggscatteringtype[14];(b)Localresonancetype[26]不仅如此，为了拓展和丰富声学超构材料的理论体系，研究人员也对“双负”参数结构进行了相关探究。2004年，Li等[57]通过将软硅橡胶浸入水中设计了一种流-固耦合声学系统并实现了“双负”参数(负弹性模量和负质量密度)特性。2007年，Ding等[58]设计了一种具有双谐振子的人工周期结构，将单极与偶极共振有机结合，同样实现了上述声学“双负”参数系统。概括来说，科研人员主要以两个角度对声学周期结构的“双负”特性开展了研究。其一是采用负质量密度与负弹性模量相结合的形式，通过对参数的调控使其能够同时在某一频域产生谐振；其二是采用某种经过特殊设计的局域共振型原胞，使其能够在某一频率下产生单极和偶极两种共振模式，从而实现“双负”声学参数。这一系列科研工作为声学体系中负折射特性的实现提供了新思路，更为突破衍射极限的倏逝波成像这一意义重大的科研课题指明了新方向。1.3.2应用探索作为最初以及最主要的一项应用，低频减振降噪技术显然是声学超构材料最具针对性的应用方向之一。通过对小尺寸声学结构的设计来实现对大波长传输波阵面的操纵无疑会是令人期待的一项先进技术。其中频段较宽、质量较轻、结构简单等因素都将是实际工程应用中探索的重点。不论是空气声、水声还是振动控制等方面，声学超构材料都已经展现出了光明的应用前景。对于空气声而言，一些科研人员曾经设计和制备过包括局域共振结构(图1-4a)以及赫姆霍兹共振结构(图1-4b)在内的吸隔声装置[59,60]，并且发现和验证了频域范围会随着结构
【参考文献】：
期刊论文
[1]二维光子晶体禁带特性研究[J]. 袁桂芳,韩利红,俞重远,刘玉敏,芦鹏飞. 物理学报. 2011(10)
[2]一维准周期结构声子晶体透射性质的研究[J]. 曹永军,董纯红,周培勤. 物理学报. 2006(12)
本文编号：3099345
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同空间维数下的声子晶体
中北大学学位论文4纪初期Liu[26]在《科学》上刊登和介绍了局域共振型声子晶体以来，作为其中核心成果之一，该种结构产生低频带隙的原因及机制便受到了广泛的关注。科研人员依次开展了对Fano-like效应[51]以及谐振单元与长波行波之间的相互耦合效应[52]的相关探究。在2005年，刘正猷教授团队[53]在长波条件下发现了三组元共振散射体的负质量密度。自此之后，负质量效应以及负弹性模量的设计思路便进入了大众的视野。梅军教授等人[54]在2006年通过多重散射机理详细研究和阐述了一种由柱状散射体嵌入空气或水等流体介质中所构成的声学系统，并对其等效参数进行了分析，给出了动态及静态质量密度间的关系，创新性地指出负质量效应是谐振单元的负动态响应所导致的。后续针对这一结论，科研人员以赫姆霍兹(Helmholtz)谐振腔为原胞设计和构造了一种人工声学结构，从而实现了声学的负弹性模量[55]。此外，也有研究人员以一种薄膜型结构为原胞对超构材料进行设计，并有效实现了声学的负质量密度[56]。这些“单负”声学参数的实现，标志着人们已经能够从一些反常声学现象的表面看到其内在的物理本质，并根据这些理论对所需声学超构材料进行逆向设计和按需定制。(a)(b)(c)图1-2不同传播模式的声子晶体(a)体波模式[20]；(b)表面波模式[17]；(c)兰姆波模式[19]Fig.1-2Phononiccrystalswithdifferentmodesofpropagation.(a)Bodywavepattern[20];(b)Surfacewavepattern[17];(c)Lambwavepattern[19]
中北大学学位论文5(a)(b)图1-3不同种类的声子晶体结构。(a)Bragg散射型[14]；(b)局域共振型[26]Fig.1-3Differentkindsofphononiccrystalstructure.(a)Braggscatteringtype[14];(b)Localresonancetype[26]不仅如此，为了拓展和丰富声学超构材料的理论体系，研究人员也对“双负”参数结构进行了相关探究。2004年，Li等[57]通过将软硅橡胶浸入水中设计了一种流-固耦合声学系统并实现了“双负”参数(负弹性模量和负质量密度)特性。2007年，Ding等[58]设计了一种具有双谐振子的人工周期结构，将单极与偶极共振有机结合，同样实现了上述声学“双负”参数系统。概括来说，科研人员主要以两个角度对声学周期结构的“双负”特性开展了研究。其一是采用负质量密度与负弹性模量相结合的形式，通过对参数的调控使其能够同时在某一频域产生谐振；其二是采用某种经过特殊设计的局域共振型原胞，使其能够在某一频率下产生单极和偶极两种共振模式，从而实现“双负”声学参数。这一系列科研工作为声学体系中负折射特性的实现提供了新思路，更为突破衍射极限的倏逝波成像这一意义重大的科研课题指明了新方向。1.3.2应用探索作为最初以及最主要的一项应用，低频减振降噪技术显然是声学超构材料最具针对性的应用方向之一。通过对小尺寸声学结构的设计来实现对大波长传输波阵面的操纵无疑会是令人期待的一项先进技术。其中频段较宽、质量较轻、结构简单等因素都将是实际工程应用中探索的重点。不论是空气声、水声还是振动控制等方面，声学超构材料都已经展现出了光明的应用前景。对于空气声而言，一些科研人员曾经设计和制备过包括局域共振结构(图1-4a)以及赫姆霍兹共振结构(图1-4b)在内的吸隔声装置[59,60]，并且发现和验证了频域范围会随着结构
【参考文献】：
期刊论文
[1]二维光子晶体禁带特性研究[J]. 袁桂芳,韩利红,俞重远,刘玉敏,芦鹏飞. 物理学报. 2011(10)
[2]一维准周期结构声子晶体透射性质的研究[J]. 曹永军,董纯红,周培勤. 物理学报. 2006(12)
本文编号：3099345
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