手性声学人工材料的设计研究

发布时间：2017-09-01 02:36

  本文关键词：手性声学人工材料的设计研究

  更多相关文章： 声子晶体 声学超材料 多重散射 手性 表面波

【摘要】：近年来,人工材料的研究已经取得了丰硕成果,人们已经可以利用光子晶体和声子晶体等新型人工材料,实现对电磁波和声波等经典波的控制。在此过程中,周期性结构的调制起到了关键作用。在不同的周期结构中,波的传播行为各不相同,尤其在手性周期结构中,存在一些独特的性质。本文主要研究手性声子晶体和声学超材料的一些相关特性。固体声子晶体中,引入手性结构,对弹性波的传播会有一定影响,如使弹性波中的横波带分裂为两条;设计手性结构共振单元,周期性组合而成弹性超材料,可以实现双负特性。这种手性双负超材料与常规的双负超材料相比,结构更简单,易于实现,且在固体表面态共振态的研究中有重要意义。固体的表面波与材料参数相关联,一般固体的材料参数都是正数,而手性超材料不但可以使有效参数变负,而且通过简单的结构调整,就可以改变有效参数。有效参数的可正可负,扩展了人们对一般固体材料表面波的认识。当有效参数满足一定关系时,有望实现与金属中表面电磁等离激元(SPP, Surface Plamons Plaritonl相类似的声学表面共振态。表面波由于波长短,局域性好,在实际应用中有重要意义,如打破传统的衍射极限,实现亚波长分辨率成像。论文第一章简单介绍了声子晶体和声学超材料的发展,表面波产生和相关特性,以及本文的研究意义。第二章介绍了弹性动力学理论和声子晶体常用的研究方法,包括多重散射理论和有限元方法。在第三章,我们设计了一类三维球形堆叠的手性结构声子晶体,利用层间多重散射理论讨论了弹性波在不同结构的手性声子晶体中的传播特性。由于破坏了晶体结构的空间对称性,出现左右旋横波的偏振分裂。当引入局域共振结构以后,在共振带隙之上的横波也发生了偏振分裂,但却不会出现偏振带的负群速度。随后在第四章中,我们首先介绍了金属表面SPP的形成和一般固体材料的表面共振态与材料参数之间的关系,然后设计了一种可以实现双负(有效密度和有效模量同时为负)特性的二维手性声学超材料,这种超材料仅由一种结构单元按周期性排列而成。用传统的数值计算方法得到其有效参数,通过调整结构,使有效参数在一定范围内任意变化。运用comsol软件计算和模拟超材料的表面波,发现在有效参数满足λ+μ=0时,存在瑞利表面波,计算表明这种表面波色散关系与金属表面SPP的色散关系有类似的特点,即随着波矢的逐渐增大,色散线逐渐变平坦,并接近于直线λ十μ=0。在第五章,为了证实第四章中超材料表面的声学SPP现象,我们设计了相关实验方案,并进行了初步的测量。试验样品为一块刻有手性结构的不锈钢板,利用压电陶瓷片激发出钢板内部的低阶对称Lamb波(S0模式)。通过三维激光测振仪我们可以直接测量钢板上的对称和反对称Lamb波,再提取出面内的对称模式,可以等效为二维固体超常材料中的纵波,以此来证实二维手性超材料的声学表面SPP。
【关键词】：声子晶体 声学超材料 多重散射 手性 表面波
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34;O735
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-17
• 1.1 引言7
• 1.2 人工结构材料7-13
• 1.3 表面波13-14
• 1.4 本文研究意义、目的和主要内容14-17
• 第二章 研究方法17-25
• 2.1 引言17
• 2.2 弹性动力学方程17-18
• 2.3 多重散射理论18-23
• 2.4 有限元方法23-25
• 第三章 三维手性声子晶体25-35
• 3.1 引言25
• 3.2 层间多重散射25-27
• 3.3 三维手性声子晶体结构及其特性27-33
• 3.4 本章小结33-35
• 第四章 手性超材料的表面类SPP计算与模拟35-45
• 4.1 引言35
• 4.2 表面波色散关系35-38
• 4.3 超材料结构设计38-41
• 4.4 声学表面SPP41-43
• 4.5 本章小结43-45
• 第五章 固体超材料表面类SPP的实验研究45-51
• 5.1 引言45
• 5.2 实验设计45-49
• 5.3 本章小结49-51
• 第六章 总结和展望51-53
• 参考文献53-61
• 致谢61-63
• 个人简历63

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本文编号：769454