基于声学超构材料的声束调控研究

发布时间：2020-10-24 13:35

　　 声学是属于物理学的一个经典分支,其主要目标在于研究声波的产生、传播、接受及其伴生的相关效应,具有极强的交叉性与延伸性。作为人类最早研究的物理现象之一,自古以来,声音就和光、电一样,是人类生活中重要的信息载体之一。近年来,得益于纳米技术和相关新理论的发展,电磁学和光学领域中涌现出的新概念--超构材料,正日益获得学术界的广泛关注。与光学超构材料类似,声学超构材料能实现对声波的传播进行特定的调节和控制,而这些手段或性质是以往的传统材料所无法实现的。带有零折射率,甚至负折射率性质的声学超构材料为声学成像以及亚波长尺度下对声波的控制提供了崭新的可能性。通过结合变换声学理论和高度各向异性的声学超构材料,人们已经可以实现诸如声隐身之类的特殊物理现象。对声波信号而言,媒质的材料性质、边界条件以及内部结构是决定其声能量传播方式的重要因素,本文便从这几个方面入手结合声学超构材料对声束调控进行了一些研究。论文主要分为以下几部分:1.从调节传输媒质属性角度出发,研究了基于温度梯度的声黑洞。本文结合几何声学理论,提出了应用于空气媒质中的基于温度梯度的二维圆柱体结构的声全向吸收方案。此方案的机理在于空气中的温度场连续变化引起声相对折射率的渐变。由于未使用局域共振单元,该方案还具有相对较宽的工作频带。在此基础上,通过优化热源的空间分布位置实现了基于温度梯度分布的声聚焦效应和弯曲声束。2.从调节边界条件角度出发,研究了基于声超构表面的辐射图样调控。通过改变刻蚀的周期二维亥姆霍兹共鸣器的空间位置分布,可在半无限大平面区域内实现近乎任意方向的准偶极子辐射图样,且其对指向性的调控能够保持相对较宽的工作频带。该机理在于亥姆霍兹共鸣器的周期分布改变了相应空间位置上的等效声阻抗率,即改变了等效边界条件,借由这种方式实现了对不同方向的波矢的裁剪,并最终获得了强指向性的声波辐射效果。该方案能有效抑制旁瓣的出现,从而提升了声能的利用率。另外,我们还通过类比表面等离激元的发生原理,在原先仅刻蚀亥姆霍兹共鸣器来调控边界条件的基础上加入了周期分布的声栅,从而成功激发出了集体性声表面波,并在此基础上实现了超长距离的声自准直传输,且该现象同时适用于二维及三维情况。同时我们研究了改变声栅的大小对出射信号的影响情况。3.从改变内部结构角度出发,本文基于亥姆霍兹共鸣器构建平板周期阵列的隔声结构,仅用单层构件即可获得良好的阻挡声波效果;用两种尺寸的共鸣器组成阵列,实现不同频率下的声信号的分离提取;使用渐变的共鸣器阵列在不同空间位置驻留声波,实现声彩虹捕获现象。本论文中涉及的声束操控方案大部分都基于亚波长尺度下的结构单元,对未来设计和研制小尺度集成化声器件有相应的理论指导意义。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O42
【部分图文】：

绝大多数情况下，／ｒ和ｐ这两个参数是由材料或媒质本身的化学成分和内部结构??所固化下来的，其数值均为正值且一般难以改变（某些环境因素作用下可改变其??数值，如温度因素），如图１．１（ａ）所示。然而，声学超构材料却能获得自然界中??不存在的负值等效属性，即负等效质量密度［８，?１４，?１５］、负等效体弹性模量［１６，??１７］，以及双负属性材料［１８－２３］，分别如图ｌ．ｌ（ｂ－ｄ）中所示。这些具有定制属性值??的超构材料能实现诸多异常现象，如能流方向与波矢方向相反或无相移的声传??播，这些效应为突破衍射极限的超分辨率声成像提供了新的思路。??３??

能接收到非常微弱的反馈，而同时最包含其外观细节的波动恰恰是其表面附近的??倏逝波，这种波动由于自身的指数性衰减特性，在远场处几乎无法被捕获到，如??图１．２（ａ）所示。??ａ?ｂｅｄ??／ｙ?＾?ｕｑ?￣￣??＃Ｖ＿ｓ＾ＪＳ＾３??ｖ＇＊?／／??Ｆａｒ?ｆｉｅｌｄ?ｆ?、■?＇??????ｓｃａｔｔｅｒｅｄ?ｓｏｕｎｄ?Ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ?ｆｉｅｌｄ?ｎ?＝－＼／＊＆?＝?Ａ＞：＞＆?ｎ？ｌ??图１．２亚波长尺度声学成像［３］??为了要获得超高分辨率的成像效果，人们迫切需要能够有效收集到倏逝波信??息的近场成像技术。首先，光学中的“完美透镜”可以给我们提供类似的思路，即??利用带有负折射率的材料经二次负折射后可以将近场倏逝波在远场进行放大重??现，从而突破理论上的衍射极限［１２］。由于声、光的类比性，利用负折射材料制??作的声超透镜在理论上是可行的［３５］，如图１．２（ｂ）所示。虽然受制于材料媒质的??阻抗匹配以及粘性损耗等因素，在近年来实验验证中的效能提升仍然值得人们关??注［４，?３６］。??数值仿真和实验验证均已证明各向异性材料通过局域共振单元能够将近场??倏逝波信息经放大后转为行波从而在远场重现［３７，?３８］，如图１．２（ｃ）所示。这一机??理在于材料的各向异性所带来的色散关系能够加载近场倏逝波信息并将其拓展??到了远场辐射。与此类似

可以通过合理配置电磁材料属性的分布来得以实现［６１，?６２］。由于波动方程与麦??克斯韦方程在数学上的类比性，变换声学作为变换光学的衍生物被顺理成章地提??出，如图１．３所示，并己得到了实验验证［１０，?１１］。??ａ?Ｓｉｍｐｌｅ?ｍｅｄｉｕｍ?ｂ?Ｄｅｆｏｒｍｅｄ?ｇｒｉｄ?ｃ?Ａｃｏｕｓｔｉｃ?ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ??ＢＳｎｉｌｌＤＪＪＴＨ?ＥＥｆｆｒｉＳｆｉＫＥ１??＿＿｜＿ｊ????ｉ?ｊ?■－－ｆ－?ｊ?Ｉ?！?１???ｒ＂?ｊｒ??１?１￣Ｉ—｜???ｔ?｜?．…＋…ｉ?１?—ｊ－．?ｊ?Ｉ??涵稱运标（ｌ裕：爾名補〒十－??．．．ｉ．?｜?＇！???１?ｊ一?－＇二?＿，－了－、？＇、：？、－一?■?？?’?一卜一一一??Ｈ＋－冊－开如?工十ｒ?！－－－卜?ｆｃｐ＇ｎｌｌ?…丨?Ｉ??Ｈ－Ｈ－ｔＨ——－ｆｔ－＝＝并＝＝ｎｒｚ?二二＝ｒ?ｐ：＝＝＿Ｌ＝琴?３ｚ＝??ＦＨ＝－－Ｔ?Ｔ１１１?－－丁＝＝甘＝＝丁＝土?Ｆ：＝＝＝ｆｆ＝二韦廿二??Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ?ｐ．?Ｋ?Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ／？＾?Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ?ＸＮｅｗ／），Ｋ??图１．３变换声学理论和超构材料??需要说明的是，同电磁学中的情况不同，变换声学理论与背景流体媒质的速??度是有关联的，不过当流速较低时其影响可忽略不计［６３］。要实现声隐身需要保??证材料具有可控的非均质性和各向异性，换句话说，就是材料属性可随空间位置??不同而有所差异，同时也可按照不同方向的延展而变化。目前声隐身的可行性在??二维、三维情况下均己通过实验得到了验证［６４
【参考文献】

相关期刊论文 前4条

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本文编号：2854534