单相固体声子晶体与可调超表面的声波调控

发布时间：2020-04-05 05:51

【摘要】：包含声子晶体、传统亚波长超材料和声超表面在内的声学超构材料,经过微结构的巧妙设计,可以实现对波动性能的调控,在降噪隔震、新型声学器件设计和声隐身等领域具有广阔的应用前景。本文针对单相固体声子晶体和声超表面进行了研究。提出了固体声子晶体实现水声负折射所满足的条件以及流固阻抗匹配的方法,研究了水声负折射、聚焦成像、水下隐身等超常声学特性。另外,提出了一种新的声超表面可调机制,据此设计了连续可调的声超表面,并研究了其宽频可调声聚焦性能。论文的主要内容和成果包括:1.给出了固体声子晶体水声负折射的产生条件,并据此设计了一种轻质手性单相固体声子晶体,其几何形式为正方晶格周期开孔结构,且具有旋转对称性和轻质特点。文中研究了该手性单相固体声子晶体的水声负折射特性,及其旋转对称性对负折射性能的影响。结果表明:手性单胞会导致波矢空间发生旋转,并引起正方晶格的类方形等频率曲线发生旋转,从而引入非对称负折射这一新的物理现象;非对称负折射可以带来偏离成像和双点成像等新的声学成像性能。根据所设计的手性单相固体声子晶体的特殊负折射性能,通过引入镜像对称,设计了一种多功能声学结构,同时实现了声聚焦和波束分离功能。2.提出了一种实现流固阻抗匹配的方法,实现了单相固体声子晶体的水声高透射率。结合本文给出的水声负折射能带的形成条件设计了一种三角晶格的单相固体声子晶体,实现了高透射率声成像,并引入结构的梯度变化实现了声波蜃景效果。结果表明:这种阻抗匹配方法具有高频适用性,可以解决固体超构材料在高频域因阻抗失配而导致透射率过低的问题;据此所设计的单相固体声子晶体在高频区域得到了水声负折射能带;由于所设计的单胞具有较强的各向同性特点,该单相固体声子晶体的水声折射率接近-1,且实现了高透射率声成像功能;结构的单参数梯度变化可以得到梯度变化的折射率,从而实现了高透射率声波蜃景效果。3.结合本文提出的流固阻抗匹配方法,设计了一种单相固体梯度声子晶体,并研究了其水声定向隐身性能,提出了定向隐身透射声波相位不匹配问题的解决方法。结果表明:利用所提出的阻抗匹配方法可以提高单相固体梯度声子晶体的水声透射率;通过设计折射率按双曲正割分布的梯度可实现纵波自聚焦现象;通过将其梯度折射率进行反向设计,可得到水下定向隐身斗篷;在定向隐身斗篷的出口处设置声波延迟装置可使斗篷内外透射声波的相位互相匹配;将该二维斗篷绕中轴旋转,可得到轴对称的三维定向隐身斗篷,数值模拟显示其具有良好的隐身性能。4.根据螺丝-螺母的工作原理提出了一种声超表面的可调机制,据此设计了连续可调的声超表面,实现了超表面上每一个单元处透射相位的连续调控。详细研究了圆盘超表面的三维可调声聚焦性能,建立了等效介质模型并进行了实验测试。结果表明:所设计的可调声超表面可以通过控制螺旋单元结构的旋拧深度来调控螺旋形声通道的长度,从而在宽频范围内实现可调声聚焦,包括可调的焦点距离、声源频率和类型(平面波声源或点源)等。研究表明,数值模拟结果、等效模型计算结果以及实验结果相一致。本文针对单相固体声子晶体中的超常声学特性以及可调声超表面的研究,为声波操控提供了重要的理论指导,为新型声波器件的设计提供了理论基础。
【图文】：

示意图,一维,二维,声子晶体

逑体、液体或气体。声子晶体按其周期拓展的维度可以分为一维、二维和三维，其逡逑典型的结构如图１－２所示。逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑１１１１ｒ逡逑２Ｄ逦３Ｄ逡逑图１－２⑷一维，（ｂ）二维，（ｃ）三维声子晶体示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍｓ邋ｏｆ邋ＩＤ邋（ａ），邋２Ｄ邋（ｂ）邋ａｎｄ邋３Ｄ邋（ｃ）邋ＰｎＣｓ逡逑一维声子晶体表现为某一方向上不同材料的周期排列；二维声子晶体其散射体为逡逑柱状排列且排列方式多种多样，图ｌ－２（ｂ）中为正方晶格排列，此外还包括长方晶格、逡逑三角晶格和复式晶格排列，其中复式晶格还包括六边形晶格、Ｋａｇｏｍｅ晶格等多种逡逑晶格［８４］。三维声子晶体散射体为颗粒状排布，图ｌ－２（ｃ）中为简单立方排布，此外还逡逑有面心立方、体心立方、密排六方等周期形式。逡逑按照传播模式不同，声子晶体还可以分为体波（Ｂｕｌｋ邋ｗａｖｅ）声子晶体、兰姆波逡逑（Ｌａｍｂ邋ｗａｖｅ）声子晶体和表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ邋ｗａｖｅ）声子晶体（见图ｌ－３（ａ－ｃ））。对于非周逡逑期方向为无限大的理想声子晶体，或波长远小于非周期方向尺寸的情况下，周期逡逑结构中传播的声波／弹性波为体波

示意图,声子晶体,体波,兰姆波

逑体、液体或气体。声子晶体按其周期拓展的维度可以分为一维、二维和三维，其逡逑典型的结构如图１－２所示。逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑１１１１ｒ逡逑２Ｄ逦３Ｄ逡逑图１－２⑷一维，，（ｂ）二维，（ｃ）三维声子晶体示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍｓ邋ｏｆ邋ＩＤ邋（ａ），邋２Ｄ邋（ｂ）邋ａｎｄ邋３Ｄ邋（ｃ）邋ＰｎＣｓ逡逑一维声子晶体表现为某一方向上不同材料的周期排列；二维声子晶体其散射体为逡逑柱状排列且排列方式多种多样，图ｌ－２（ｂ）中为正方晶格排列，此外还包括长方晶格、逡逑三角晶格和复式晶格排列，其中复式晶格还包括六边形晶格、Ｋａｇｏｍｅ晶格等多种逡逑晶格［８４］。三维声子晶体散射体为颗粒状排布，图ｌ－２（ｃ）中为简单立方排布，此外还逡逑有面心立方、体心立方、密排六方等周期形式。逡逑按照传播模式不同，声子晶体还可以分为体波（Ｂｕｌｋ邋ｗａｖｅ）声子晶体、兰姆波逡逑（Ｌａｍｂ邋ｗａｖｅ）声子晶体和表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ邋ｗａｖｅ）声子晶体（见图ｌ－３（ａ－ｃ））。对于非周逡逑期方向为无限大的理想声子晶体，或波长远小于非周期方向尺寸的情况下，周期逡逑结构中传播的声波／弹性波为体波
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O735

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