单相固体双负弹性波超材料的设计与实验研究

发布时间：2023-10-21 16:02

　　近十年来,通过类比电磁超材料,人们已设计出许多不同类型的声学超材料(Acoustic metamaterials,AMMS)和弹性波超材料(Elastic wave metamaterials,EMMs)。特别地,负等效参数的研究一直吸引着大量学者的关注,其中包括:负的等效质量密度、负的等效体积模量、负的等效剪切模量和负的等效折射率等。得益于这些负等效参数,声学超材料和弹性波超材料已被证实可实现反常的物理现象,以及存在诸多突破自然材料性能的潜在应用,如:负折射和亚波长成像等等。与声学超材料相比,弹性波超材料具备更多的本征参数,为实现更丰富的等效参数组合提供了更多的可能。故而,这种丰富的可能性结合拓扑优化可能会构造出全新的超材料,突破人工和经验设计的局限。本文首先在双负弹性波超材料拓扑优化结果的基础上,提出了尽可能简单的单元几何构型,使其在保留负折射特性的前提下便于实验加工。然后进行参数分析,给出优化结构,并且数值验证了超材料的负折射现象和亚波长成像。最后通过实验验证了其负折射特性。主要内容和结果包括:1.根据拓扑优化计算的结果,提出了一个初步的简化结构,利用有限元COMSOL软件计算了...

【文章页数】：87 页

【学位级别】：硕士

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致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 引言
    1.2 超材料的概念
        1.2.1 声波超材料
        1.2.2 弹性波超材料
    1.3 双负弹性波超材料的特性
        1.3.1 双负弹性波超材料的负折射
        1.3.2 双负弹性波超材料的成像
    1.4 本文的研究目的和研究内容
        1.4.1 本文的研究目的
        1.4.2 本文的研究内容
2 基于COMSOL有限元软件的弹性波超材料计算方法
    2.1 引言
    2.2 弹性波和声波的基本方程
    2.3 弹性波超材料的数值计算
        2.3.1 能带结构的计算
        2.3.2 等频率曲线的计算
        2.3.3 传输谱的计算
        2.3.4 等效参数的计算
    2.4 本章小结
3 双负弹性波超材料的优化设计及成像特性研究
    3.1 引言
    3.2 双负弹性波超材料的优化
        3.2.1 几何参数对能带结构、等频率曲线以及等效参数的影响
        3.2.2 模型的本征模态分析
    3.3 弹性超材料的成像及其分辨率分析
        3.3.1 超材料宽度对像点分辨率的影响
        3.3.2 不同点源位置对像点分辨率的影响
        3.3.3 点源频率对像点分辨率的影响
    3.4 本章小结
4 双负弹性波超材料负折射的数值模拟及实验研究
    4.1 引言
    4.2 二维体波的负折射
        4.2.1 不同位置尺寸下纵波的负折射
        4.2.2 不同频率下纵波的负折射
    4.3 板中的弹性波负折射
    4.4 双负弹性波超材料负折射的实验研究
        4.4.1 实验试件制备
        4.4.2 实验平台、实验步骤及注意事项
        4.4.3 弹性波超材料板负折射的实验结果及分析
    4.5 本章小结
5 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 进一步的工作展望
参考文献
作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果
学位论文数据集



本文编号：3856162