基于声学近零折射率材料的声波调控研究

发布时间：2020-05-16 03:06

【摘要】：近年来,利用声子晶体和声超材料对声波的操控已成为声学领域的研究热点。近零折射率材料具有高透射性与高声速等特点,声波可以在近零折射率材料中产生遂穿效应,且近零折射率材料具有较强的鲁棒性,即使在材料中嵌入刚性散射体,声波的出射波形也能保持不变。此外,基于近零折射率材料的声波方向选择性,通过改变声波传播方向,可以实现多种新奇的声波特性。因此,基于近零折射率材料的声学器件在医学超声、建筑声学及军事应用等领域具有一定的潜在价值。本文基于近零折射率的声超材料与声子晶体,设计了多种新型声学器件。第一章为绪论,第七章为总结与展望,第二章到第六章为主要研究内容,分别为:(1)声子晶体与超材料的相关理论与方法;(2)基于近零折射率声超材料的声波阵面调控;(3)基于近零折射率声超材料的声聚焦透镜;(4)基于近零折射率声子晶体的声异常透射;(5)基于近零折射率声子晶体的声单向传输与单向聚焦。第二章中,从基本声波方程入手,主要介绍了声子晶体的能带理论与声超材料等效参数计算方法,为研究近零折射率声子晶体与声超材料的特性提供基本理论与研究方法。第三章中,基于近零折射率材料的声波方向选择机制,利用具有近零折射率特性的蜷曲空间单元设计声波阵面调控透镜,实现对声波阵面的调控。当透镜两侧分别为竖直平面与倾斜平面时,可以实现对平面声波的方向调控;当透镜两侧分别为圆弧面与倾斜平面时,可以实现对柱面声波的方向调控。基于近零折射率超材料的隧穿特性,可以实现声弯曲传输与声隐身效应,从而使得平面声波在绕过U型通道结构或具有刚性边界的隐身区域的同时,保持波形特征不变。近零折射率声波阵面调控透镜具有单一单元结构、高透射率及高鲁棒性等优点,为研制新型近零折射率声学器件提供相应的理论方案与设计原理。第四章中,基于近零折射率材料的声波方向选择机制,利用近零折射率蜷曲空间单元设计声聚焦透镜,分别实现了平面声波聚焦、柱面声波聚焦及平面声波线聚焦等效应。当透镜两侧分别为平面与圆弧面时,可以实现平面声波聚焦效应;当透镜两侧均为圆弧面时,可以实现柱面声波聚焦效应;当透镜两侧分别为平面与具有特定夹角两个平面时,可以实现平面声波线聚焦效应;且上述三种透镜内部的刚性散射体对聚焦性能没有影响。与其它类型声聚焦透镜相比,近零折射率声聚焦透镜具有单一单元结构,高聚焦性及高鲁棒性等特点,为设计新型近零折射率声聚焦透镜提供理论依据与实验参考。第五章中,基于圆柱单元设计两个大小相同的近零折射率矩形声子晶体,放置在浸没在水中的水平狭缝两侧,可以实现声异常透射效应,且透射波形特征保持不变,而当狭缝左侧有声子晶体或狭缝两侧均无声子晶体时,声异常透射效应消失,通过狭缝的声能量很少,且透射波形由平面声波转变为柱面声波。此外,近零折射率声子晶体内部的刚性散射体与狭缝宽度对声异常透射性能影响较小,从而说明基于近零折射率声子晶体的声异常透射效应具有透射波形不变与高鲁棒性等特点,为新型声异常透射器件的设计研制提供新思路与新方法。第六章中,基于近零折射率材料的声波方向选择机制,利用圆柱单元设计具有特定入射面与出射面的近零折射率声子晶体,分别实现了高性能声单向传输和声单向聚焦。将平行四边形声子晶体嵌入到浸没在置于水中的弯曲波导结构中,通过调节波导的通道方向分别设计实现了声单向传输、双向声导通、双向隔声及多通道声单向传输等器件。提出一种两侧分别为平面与圆弧面声子晶体的声单向聚焦透镜,当声波从平面一侧入射时,可以实现高性能声聚焦效应;当声波从圆弧面一侧入射时,声波无法通过透镜,透镜可以同时实现高性能的声单向传输与声聚焦效应。此外,通过改变透镜圆弧面的曲率半径,可以实现焦距的调控,且透镜内部刚性散射体对声单向传输与声聚焦性能的影响较小。研究结果为设计新型近零折射率声单向传输和声单向聚焦器件提供相应的理论方案与实验参考。
【图文】：

结构图,声子晶体,二维

基于声学近零折射率材料的声波调控研究构的维度可以将声子晶体分为一维、二维及三晶体结构图，圆柱单元结构在 x 与 y 轴两个方向研究主要集中在结构的能带方面，由于声子晶体结构具有特殊的能带结构。为了获得设计具有一面波展开法[5]、时域差分法[6,7]和有限元法[8]等方法具有不同的优势，在计算过程中，一般采用最调节声子晶体单元的结构参数，可以实现如隧穿0]、负折射效应[11,12]等多种奇特的声学效应。

负折射率,材料

江苏大学硕士学位论文材料看作均匀介质，，为了更好的描述声超构材料的材料进行描述。超构材料的研究工作是在电磁波领域，通常电磁介质值，折射率n = εμ 也为正值，此时入射电磁波与出。1968 年，Veselago 等人指出如果材料的介电常数波会在传播过程中发生负折射，此时入射与出射电，该材料被称为负折射率材料[16]。如图 1.2 负折射率高的自由度。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O42

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