声人工结构对声波的调控研究

发布时间：2017-08-30 13:40

  本文关键词：声人工结构对声波的调控研究

  更多相关文章： 超常材料 声子晶体 变换声学 非衍射波 单向传播 声学斗篷

【摘要】：近年来,声人工结构凭借其独特的声学性质及广阔的应用前景,得到了人们越来越多的关注。依据结构单元与工作波长的关系,声人工结构主要可分为声子晶体和声学超常材料。一般来说,声子晶体和声学超常材料都是材料参数在空间按周期分布的复合材料,但声子晶体有着与其工作波长可比拟的结构单元尺寸,而声学超常材料则通常为亚波长结构(即结构单元远小于声波波长)。首先得到广泛关注的是声子晶体,其概念的提出基于能带理论及其与天然晶体和光子晶体间的类比。在对特定结构声子晶体能带特性的研究中,人们相继发现了声学禁带、负折射等现象,并利用这些新效应实现了隔声、聚焦以及滤波和声波导等功能。当所研究的工作频段移到低频区时,声波波长将远大于尺寸结构,此时可基于等效媒质理论将复合材料看作等效的均匀媒质,从而形成了超常材料的概念。该等效媒质可具有天然材料所不具备的一些特殊性质,比如密度各向异性,以及引入共振效应后产生的负声学参数等。结合同时兴起的变换声学作为设计手段,声学超常材料可以用来实现声学隐身斗篷、超薄声学透镜等各种新型声学器件。因此,对声人工结构中声传播特性的研究具有基础性的学术价值和实际的应用前景,本文将主要从声波在声人工结构中的衍射、透射以及散射三个方面系统地对此类结构的声波调控展开理论及实验研究。主要分为以下几个部分。第一章绪论部分回顾了声子晶体和声学超常材料两个方面的研究背景,介绍了这两个领域的主要研究内容以及最新进展。第二章由基础的声波方程着手,介绍了声人工结构中声传播的相关理论和方法,主要涉及声子晶体能带理论,等效媒质理论,变换声学的理论基础,平面波展开法以及多重散射法等。第三章从声波衍射的角度对利用声人工结构操控声波并产生一个无衍射的静止声场的问题展开了研究,并在一个无缺陷的二维声子晶体中得到了局域化声波。通过分析声子晶体能带单频面上布洛赫模式叠加而成的波包,预见了在声子晶体能带面顶点或鞍点处存在静态X波。由于声子晶体的特殊色散特性,将会因不同方向上的衍射相消而出现X波。对于一个特定的正方晶格声子晶体,通过数值计算得到了其独具特性的X形声场。第四章从声波透射的角度,探讨了如何利用人工结构来控制信号传递的方向并对声能量高效整流。提出一个由非线性谐振腔和声学超晶格耦合而成的能量单向传输的声倍频器模型,并通过数值计算分析了其透射特性。高Q谐振腔中的共振增强了非线性转化效率,并导致了透射效率对入射声压和非线性参量的特殊依赖关系。数值计算结果表明和传统的声单向器件相比,同尺寸的单向倍频器能量透射效率可提高三个数量级,并在入射声压和非线性参量相对都不是很强的情况下达到透射极大,这将有利于减小器件的尺寸并提高器件的灵敏度,对相关器件的实际应用具有重要意义。第五章从声波散射的角度探讨了如何利用人工结构变换声场达到隐藏一个特定物体的目的。设计并实际制备了一个可将物体变得如同另一个不同物体的幻象斗篷。斗篷仅由正参数的各向异性材料构成,并且其材料参数与原物体性质以及边界形状无关。数值计算和实验结果都表明所设计的结构能有效地改变原物体的散射场来逼近一个所设计的幻象物体散射场,并且在幻象物体被选为背景媒质时能作为隐身斗篷使用。此设计思路被进一步拓展到实际的三维空间,所设计的三维宽带斗篷能有效使任意的三维曲面附近的物体隐身,从而可灵活地应用到各种实际场景中。由于所制备的斗篷对不同声学环境和探测信号的灵活适用性,这一工作使得声学隐身斗篷的实际应用又更近了一步,并对相关的新型声学器件有一定的启发作用。最后在第六章中,我们总结了本文所得出的一些主要结论,并给出对今后工作的展望。
【关键词】：超常材料 声子晶体 变换声学 非衍射波 单向传播 声学斗篷
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O42;TB33
【目录】：

• 摘要3-6
• Abstract6-13
• 第一章 绪论13-30
• 1.1 声子晶体的研究现状及进展13-18
• 1.2 声学超常材料的研究现状及进展18-24
• 1.3 结语24
• 参考文献24-30
• 第二章 人工结构中的声传播理论和相关方法30-56
• 2.1 相关理论30-45
• 2.1.1 声波方程30-31
• 2.1.2 声子晶体能带理论31-36
• 2.1.3 等效参数理论36-39
• 2.1.4 变换声学39-45
• 2.2 相关方法45-54
• 2.2.1 平面波展开法45-48
• 2.2.2 多重散射法48-52
• 2.2.3 有限元法52-54
• 2.3 结语54-55
• 参考文献55-56
• 第三章 声人工结构中的非衍射声波56-69
• 3.1 非衍射声波以及相关理论56-59
• 3.2 二维声子晶体及其能带59-61
• 3.3 二维声子晶体中的非传播X波61-66
• 3.4 结语66
• 参考文献66-69
• 第四章 声人工结构中的非对称透射69-85
• 4.1 声的单向传输69-72
• 4.2 非线性模型的计算以及转换效率72-74
• 4.3 声的单向倍频器74-83
• 4.4 结语83
• 参考文献83-85
• 第五章 宽带声学斗篷及散射消除85-106
• 5.1 声隐身斗篷进展概述85-88
• 5.2 宽带声学幻象斗篷88-96
• 5.3 三维空间的宽带声学隐身斗篷96-104
• 5.4 结语104-105
• 参考文献105-106
• 第六章 结束语与未来工作展望106-108
• 致谢108-109
• 研究生期间的工作成果109-111

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