基于声谐振超常材料的声聚焦效应研究

发布时间：2017-04-18 19:06

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【摘要】：本文主要从事基于声谐振超常材料的声聚焦效应研究,全文分为五章,除第一章和第五章分别为绪论和总结与展望外,主要的研究工作分为三部分：(1)声谐振超常材料研究中的相关理论；(2)单一参数谐振材料下超分辨率聚焦及其远场控制；(3)多参数谐振材料下梯度声透镜的设计、实验以及模拟。各部分的简要内容如下：1.声谐振超常材料研究中的相关理论声超常材料是一种人工复合结构或复合材料.由于其单位结构尺度或材料分布的变化周期小于声波长,声超常材料具有很多天然材料所不具备的声学特性。声学超材料伴随着电磁学超材料的发展而迅速发展,诸如负折射、亚波长成像、变换光学之类的概念都能在声学中找到对应物。论文第二章,研究了一维情况下声波在有一定数量谐振体分布的均匀介质中传播情况。首先,证明了谐振体和均匀介质的远场耦合是其能带产生的原因,它们之间耦合可以解释为入射波与每个谐振体激发产生的声波之间的Fano干涉现象。进一步的对该现象进行理论建模,模型阐述了周期性谐振体在均匀介质中的对声波传播的色散影响,并计算了其能带特性。同时,该模型的精确性在论文的第三章和第四章得到了证明。2.单一参数谐振超材料下超分辨率聚焦及其远场控制1873年,德国科学家阿贝提出了光学衍射极限理论,声波同样存在这样的极限。由于声波存在衍射,一个经过声学系统的聚焦点,不可能得到理想的点,而是一个衍射斑,如果各个聚焦点靠得很近,弥散斑就叠加在一起,我们看到的就是一团模糊的图像。而这样一个极限使声学成像系统的分辨率接近于入射声波长的二分之一。系统存在这样一个极限的更本质原因在于小于半波长的信息被倏逝波所携带,而倏逝波存在于声源表面且幅值随着与表面距离的增大而呈指数形式衰减,其强度在一个波长之外的空间已可忽略。衍射极限的存在极大的限制了成像系统精度的进一步提高。论文第三章,首先,介绍了Fabrice Lemoult等使用远场时间反演的技术在谐振超材料上实现了亚波长的聚焦；之后我们以此为启发,为了阐明其亚波长聚焦更本质的因素,同时在考虑到时间反演技术上的复杂、以及实施的繁琐,充分利用了声场以及结构的形态特性,在不使用时间反演的情况下实现了亚波长聚焦以及其远场控制；使用有限元分析仿真方法对实验部分进行了进一步的验证和拓展。最后分析了该种结构的一些优点和前景。3.多参数谐振材料下梯度声透镜的设计模拟以及实现几个世纪以来,通过对材料表面的打磨改变光线的传播路径,一直是设计和制造透镜的传统方法。尽管通过这种设计方法得到的折射透镜拥有很高的精度,但是该种方法依旧局限于透镜的几何形状,并且无法解决波在两种介质之间的反常折射问题。所以通过改变区域内的折射率,设计和制造透镜无疑是一种更直接有效的方法,但是改变材料折射率也比改变材料的表面形状更加困难。本章我们使用上文提到的谐振超材料来实现区域内的折射率改变,以完成折射率梯度透镜的设计。论文第四章,首先给出折射率梯度透镜的理论基础；之后我们使用赫姆霍兹共鸣器作为透镜的基本结构,通过理论计算在改变单个结构的参数的情况下,得到共振体在声透镜内部的等效折射率范围,并在实验中将理论的折射率分布进行离散化处理,以可乐罐为共振结构进行了折射率梯度透镜的制造和测量；最后使用有限元分析仿真,对实验部分进行了进一步的计算验证。论文的最后,是对全文的总结和对未来工作的展望。
【关键词】：
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33
【目录】：

• 中文摘要4-6
• 英文摘要6-11
• 第一章 绪论11-28
• 1.1 声学超材料11-15
• 1.2 远场时间反演15-17
• 1.3 亚波长成像17-21
• 1.4 论文的内容安排21-22
• 参考文献22-28
• 第二章 声谐振超常材料研究中的相关理论28-39
• 2.1 引言28
• 2.2 一维分布的谐振体对声波传播的影响28-31
• 2.3 Fano共振的电力类比31-33
• 2.4 周期性排列赫姆霍兹共鸣器在均匀介质中的对波传播的色散效应以及其能带结构33-37
• 2.4.1 声学超材料能带计算的相关方法34-35
• 2.4.2 有限元法计算周期性排列赫姆霍兹共鸣器对均匀介质中声波传播的色散效应以及其能带结构35-37
• 2.5 小结37
• 参考文献37-39
• 第三章 单一参数声谐振超材料下超分辨率聚焦及其远场控制39-51
• 3.1 引言39
• 3.2 实验部分39-42
• 3.3 二维局域谐振超材料的理论模型42-47
• 3.3.1 有限元模拟计算45-47
• 3.4 超分辨率聚焦的远场控制47-48
• 3.5 小结48-49
• 参考文献49-51
• 第四章 多参数谐振材料下梯度声透镜的设计模拟以及实现51-60
• 4.1 引言51
• 4.2 Luneburg透镜的原理以及材料参数设计51-55
• 4.3 实验部分55
• 4.4 仿真计算结果55-57
• 4.5 小结57
• 参考文献57-60
• 第五章 总结与展望60-61
• 致谢61-62
• 攻读硕士期间的工作成果62-63

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