發(fā)布時間：2018-07-23 13:34

【摘要】：近十年來,聲人工材料及其在聲功能器件方面的應(yīng)用一直受到了廣泛的關(guān)注。聲人工材料是指人工復合的具有自然界物質(zhì)所不具備的超常聲波傳輸特性的結(jié)構(gòu)或者介質(zhì)。聲波在其中的傳播特性除了會受到構(gòu)成材料的影響,更與其幾何結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。周期的或者其他特殊的微結(jié)構(gòu)單元會對傳輸聲波起到一定的調(diào)制作用,從而表現(xiàn)出各種奇特的物理現(xiàn)象,如負折射、自準直、超透射等。這些特殊的物理性質(zhì)突破了傳統(tǒng)聲學理論的一些基礎(chǔ)概念,為人們自由地調(diào)控聲波提供了新的途徑,也為新型聲功能器件的開發(fā)提供了全新的思路和理念,在聲隱身、聲超透鏡、集成聲功能器件等諸多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。本文基于聲人工材料提出了幾種新型的聲功能器件,并系統(tǒng)地對聲波在其中的傳播進行了理論數(shù)值研究和實驗驗證。這幾種新型的聲功能器件主要包括相位調(diào)控型聲開關(guān)和聲邏輯門,Fano共振型聲傳感器以及環(huán)形流場聲子晶體中自準直聲波的單向傳輸。第一章緒論部分主要回顧了本文相關(guān)的聲人工材料的研究背景以及最新進展,并概述了本文研究工作的主要內(nèi)容。第二章中,基于二維聲子晶體中聲波的自準直效應(yīng),提出了聲開關(guān)及聲邏輯門。該二維聲子晶體的對角線方向的線缺陷起到3 dB分束器的作用,通過調(diào)整兩輸入聲信號的相位可以控制輸出端聲波的幅值大小。在特殊的輸入相位差下可以實現(xiàn)聲開關(guān)以及聲邏輯門的功能。通過仿真和實驗研究,實現(xiàn)了與門、或門、異或門以及非門的基本邏輯門功能。并且由于自準直聲波無衍射拓寬的特性,上述的基本邏輯門還可以互相級聯(lián)以實現(xiàn)更多復雜的邏輯門,如與非門、或非門以及同或門。第三章中,基于零密度超材料,提出了一種波長尺度的可變型的聲開關(guān)和聲邏輯門。基本的邏輯門單元由一個三端口的聲波導填入卷曲空間超材料組成,整個邏輯門尺寸大約為工作波長的0.82倍。由于零密度材料的特性,兩入射聲波可以在出射端以近乎可以忽略的相位延遲以及近乎不變的波陣面相互疊加,使出射聲波的幅值可以通過調(diào)整輸入相位差來控制。分別從理論和實驗兩方面實現(xiàn)了聲邏輯與門、或門、異或門和非門。并且更多復雜的邏輯門以及邏輯運算,如與非門、或非門,“I1+I2×I3”等邏輯運算可以通過級聯(lián)不同形狀的基本邏輯門單元來實現(xiàn)。第四章中,實現(xiàn)了二維聲子晶體中自準直聲波的Fano共振。該Fano共振器由二維聲子晶體中單層或多層的Z字形線缺陷以及兩層同樣呈Z字形排列的鋼柱構(gòu)成。研究發(fā)現(xiàn)構(gòu)成Fano共振的連續(xù)態(tài)和離散態(tài)可以通過調(diào)整諧振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)控,這使得Fano共振的共振頻率以及非對稱線型的連續(xù)自由調(diào)控稱為可能。由于Fano共振線型具有急劇變化的特點,其在聲傳感方面具有重要的應(yīng)用。本章將該Fano共振應(yīng)用到乙醇溶液中乙醇質(zhì)量分數(shù)的探測中,并取得了很好的效果。第五章中,理論上實現(xiàn)了自準直聲波的單向自準直傳播。通過構(gòu)造非對稱的散射柱以及引入環(huán)形流場,分別打破系統(tǒng)的空間對稱性和時間反轉(zhuǎn)對稱性,從而支持聲波的單向傳輸。在一定頻率范圍內(nèi)該單向聲波還可以自準直傳播,反向輸入時輸出聲波的聲能級相差可以達到30 dB。當該聲子晶體的流場流速呈漸變分布時,自準直聲波在其中的傳播方向也會逐漸改變最終折返回入射界面,這種聲路可設(shè)計的環(huán)形流場聲子晶體為聲波傳輸?shù)恼{(diào)控提供了一種新的思路。第六章中,對全文進行了簡單的總結(jié)以及對未來工作的展望。
[Abstract]:In the last ten years, acoustic artificial materials and their applications in acoustic functional devices have been widely concerned. Acoustic artificial material is a structure or medium with a complex transmission characteristic of a supernormal sound wave, which is not possessed by natural materials. The structure has a great relationship. Periodic or other special microstructural units will modulate the transmission sound wave, which shows a variety of strange physical phenomena, such as negative refraction, self collimation, ultra transmission, etc. these special physical properties break through some basic concepts of traditional acoustic theory and regulate sound freely for people. The wave provides a new way and provides new ideas and ideas for the development of a new acoustic function device. It has an important application prospect in many fields, such as acoustic stealth, acoustic hyperlens, integrated sound function device and so on. In this paper, several new acoustic function devices are proposed based on acoustic artificial materials, and the propagation of sound waves in it is systematically carried out. Theoretical numerical research and experimental verification are carried out. These new acoustic functions mainly include phase regulated sound switch and acoustic logic gate, Fano resonant acoustic sensor and unidirectional transmission of self collimated sound in the Phonon Crystal of annular flow field. The first chapter mainly reviews the research background of the related acoustic artificial materials. In the second chapter, based on the self collimation effect of acoustic wave in the two-dimensional phononic crystal, the sound switch and the acoustic logic gate are proposed in the second chapter. The line defect of the diagonal direction of the two-dimensional phononic crystal plays the role of the 3 dB beam splitter, and the output end can be controlled by adjusting the phase of the two input sound signal. The amplitude of sound wave. The function of sound switch and sound logic gate can be realized under special input phase difference. Through simulation and experimental study, the basic logic gate functions of the door, or gate, the gate, the gate and the non gate are realized. And the basic logic gates above can be cascaded to each other because of the characteristics of the non diffraction widening of the self collimation sound sound. To achieve more complex logic gates, such as NAND gate, or non gate, and the same or gate, the third chapter, based on zero density supermaterial, presents a wavelength scale variable sound switch and acoustic logic gate. The basic logic gate unit is composed of a three port acoustic waveguide filled with curled space supermaterial, and the whole logic gate size is about the work. 0.82 times of the wavelength. Due to the characteristics of zero density materials, the two incident sound wave can be overlapped with almost negligible phase delay and almost invariable wavefront at the ejection end. The amplitude of the acoustic wave can be controlled by the adjustment of the input phase difference. From the theoretical and experimental two aspects, the acoustic logic and the door, or gate, or different or different, are realized. The gate and the non gate. And more complex logic gates and logic operations, such as the non gate, or the non gate, the "I1+I2 x I3" and other logic operations can be realized by cascading the basic logic gate units with different shapes. In the fourth chapter, the self collimated sound waves in the two-dimensional phononic crystal are realized. The Fano resonator is single layer in the two-dimensional phononic crystal. It is found that the continuous and discrete states of the Fano resonance can be regulated by adjusting the structural parameters of the resonator, which makes the continuous free control of the resonance frequency of the Fano resonance and the continuous free regulation of the asymmetric line form as possible. Because of the Fano resonance line type, the Z resonance's continuous and discrete state can be regulated by the structure of a Z shaped steel column. In this chapter, the Fano resonance is applied to the detection of ethanol concentration in ethanol solution and has achieved good results in this chapter. In the fifth chapter, the unidirectional self collimation of self collimated sound waves is realized in theory. The asymmetric scattering column and the introduction of the annular flow field are constructed. The spatial symmetry of the system and the time reversal symmetry are broken to support the one-way transmission of sound waves. The one-way sound wave can also be propagated from the collimation in a certain frequency range. The acoustic energy level difference of the output sound wave can reach 30 dB. when the reverse input is used. When the flow velocity of the phononic crystal is gradually distributed, the self collimation sound wave is in it The direction of propagation will also gradually change and return to the incident interface. This sound circuit can provide a new way of thinking for the regulation of acoustic transmission. In the sixth chapter, a brief summary of the full text and the prospect of the future work are made.
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB51

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本文編號：2139570