【摘要】：聲學(xué)人工材料由于其在消聲降噪,全息聲學(xué),粒子操控及國防軍事等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用,已成為聲學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。設(shè)計具有特殊結(jié)構(gòu)的聲學(xué)人工材料可以實現(xiàn)各種新奇的聲學(xué)效應(yīng),如:負(fù)折射、自彎曲束、螺旋束、無衍射束、漫反射及聲聚焦等。與傳統(tǒng)聲學(xué)材料相比,聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)具有小尺寸,調(diào)控靈活及智能化等優(yōu)點,具有廣泛的應(yīng)用前景。本論文基于聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了多種新型聲學(xué)器件。除第一章緒論和第八章總結(jié)和展望之外,主要工作分為六個部分:(1)聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)的相關(guān)理論與方法;(2)基于多端口圓環(huán)波導(dǎo)的寬頻帶聲邏輯門;(3)基于聲超纖維簇的聲波調(diào)控;(4)基于彎曲波導(dǎo)的多頻帶多機(jī)制聲單向傳輸器件;(5)基于雙層超表面的聲單向聚焦器件;(6)可編程聲拓?fù)浣^緣體。在第二章中,介紹聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究理論與方法,如:廣義Snell定律、基于傳遞矩陣的等效參數(shù)反演及聲子晶體能帶理論,為研究基于聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)的聲超表面、聲纖維簇、聲邏輯門和聲拓?fù)浣^緣體提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。在第三章中,提出并實現(xiàn)了基于多端口圓環(huán)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬頻帶聲邏輯門�；诼暰�性干涉機(jī)制,通過調(diào)控多端口圓環(huán)波導(dǎo)中兩個輸入信號之間的相位差與傳播路徑,在3.64-8.92kHz范圍,基于同一閾值分別實現(xiàn)了或、非、與、異或及同或邏輯門。此外,通過連接基本邏輯門分別實現(xiàn)或非和與非復(fù)合邏輯門,并詳細(xì)討論了基于四端口圓環(huán)波導(dǎo)的復(fù)雜邏輯運算C+A×B。與其它聲邏輯器件相比,所提出的聲邏輯器件具有寬頻帶、同一閾值、結(jié)構(gòu)簡單易連接等優(yōu)點,為新型聲通信和邏輯運算器件提供理論方案與設(shè)計思路。在第四章中,提出一種多功能寬頻帶聲超纖維簇�；诼暢w維單元結(jié)構(gòu)的本征模式,聲纖維簇的工作帶寬與中心頻率之比可達(dá)到0.25。改變超纖維單元的幾何參數(shù),可以實現(xiàn)覆蓋2π范圍的相位延遲,基于不同相位分布的聲纖維簇可以分別實現(xiàn)單負(fù)聲折射、雙負(fù)聲折射及聲聚焦等多種新奇聲學(xué)效應(yīng)。此外,基于聲超纖維簇結(jié)構(gòu)簡單與靈活易彎折等特性,實現(xiàn)了聚焦焦點位置調(diào)控及聲隱身斗篷。聲超纖維簇在聲通訊與國防軍事等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。在第五章中,設(shè)計實現(xiàn)一種浸沒在水中含內(nèi)置聲子晶體的彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)多頻帶多機(jī)制聲單向傳輸器件。在500 kHz以下,器件存在三個不同的聲單向傳輸頻帶,分別由聲子晶體帶隙、聲子晶體的聾啞模式及聲子晶體與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相互作用三種不同的機(jī)制引起。此外,旋轉(zhuǎn)聲子晶體的單元方柱可以實現(xiàn)聲單向傳輸頻帶的調(diào)控。所提出的聲單向傳輸器件具有多頻帶,多機(jī)制及可調(diào)控等特性,在醫(yī)學(xué)超聲領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在第六章中,基于雙層聲超表面設(shè)計實現(xiàn)了聲單向聚焦透鏡。當(dāng)聲波從左側(cè)入射,經(jīng)雙層超表面在透鏡右側(cè)聚焦,焦點分辨率僅為0.4倍波長;而當(dāng)聲波從右側(cè)入射,轉(zhuǎn)換為表面波限制在右側(cè)超表面,無法到達(dá)透鏡左側(cè)。與傳統(tǒng)聲聚焦透鏡相比,聲單向聚焦透鏡可明顯降低反射聲能量。該效應(yīng)是由雙層超表面的非對稱相位調(diào)控引起,與傳統(tǒng)單層超表面透鏡不同,兩層超表面的相位延遲分布相互關(guān)聯(lián),可以實現(xiàn)更加豐富的聲傳播調(diào)控。此外,改變雙層超表面的間距,可以實現(xiàn)聚焦焦點位置的調(diào)控。實驗測量與數(shù)值模擬結(jié)果吻合很好。聲單向聚焦透鏡具有亞波長聚焦,平面結(jié)構(gòu)及可調(diào)控等優(yōu)點,在聚焦超聲治療與醫(yī)學(xué)超聲成像領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。在第七章中,提出并實現(xiàn)了可編程聲學(xué)拓?fù)浣^緣體�？删幊搪晫W(xué)拓?fù)浣^緣體由兩種數(shù)字單元“0”或“1”組成,分別對應(yīng)于具有不同直徑的圓柱組成的蜂窩型聲子晶體�；诓煌瑪�(shù)字單元分界面的贗自旋相關(guān)邊緣模式,改變拓?fù)浣^緣體的編碼序列,可實現(xiàn)聲傳播的自動控制。此外,基于單片機(jī)控制的氣缸對聲子晶體單元進(jìn)行操控,可以實現(xiàn)不同的數(shù)字編碼“0”或“1”,實驗實現(xiàn)了可編程拓?fù)浣^緣體,在此基礎(chǔ)上,基于可編程的聲拓?fù)浣^緣體分別設(shè)計實現(xiàn)聲單刀雙投擲開關(guān)及邏輯功能可反轉(zhuǎn)的聲邏輯門。可編程拓?fù)浣^緣體的可重構(gòu)與可編程特性極大促進(jìn)了智能聲學(xué)領(lǐng)域在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用,如:集成聲學(xué),聲加密通信和聲信息處理等。
【圖文】：

基于新型聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)的聲波調(diào)控研究2圖1.2 局域共振聲子晶體的(a)單元截面與(b)整體結(jié)構(gòu)[9].FIG.1.2 Schematic of (a) unit cross section and (b) overall structure of local resonant soniccrystals.1.2 聲超表面2011年，，一種超薄二維人工材料—超表面被提出�；趶V義Snell定律，可以將超表面概念引入到光學(xué)領(lǐng)域，為光波的操控帶來更多的可能性，從而為實現(xiàn)各種新奇的光學(xué)效應(yīng)提供了新思路。聲波也同樣遵循Snell定律，受該工作的啟發(fā)，研究人員同樣提出了聲超表面[15-38]材料，在消聲降噪，全息聲學(xué)，粒子操控，軍事工程等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。然而，電磁超表面的設(shè)計方法無法直接應(yīng)用到聲超表面中

、無衍射束、漫反射及聲聚焦等。圖1.3(a)為蜷曲空間型反射式聲超表面[15]，聲波在蜷曲空間型結(jié)構(gòu)中沿著彎曲的通道傳播，當(dāng)彎曲通道長度大于單元的幾何尺寸時，可以實現(xiàn)對大波長聲波的相位調(diào)控。由于聲波經(jīng)過一定長度的彎曲通道，反射聲波的相位相對于入射聲波存在一定的相移，相移大小與彎曲通道的長度相關(guān)，因此，調(diào)整蜷曲空間的蜷曲度可以實現(xiàn)覆蓋整個2π范圍的相位調(diào)控。然而，蜷曲空間與自由空間存在阻抗匹配問題，通常只能在特定的工作頻率實現(xiàn)，從而造成基于蜷曲空間的聲超表面單元頻帶較窄。如圖1.3(b)，基于亥姆霍茲共振的聲超表面單元[16]由四個亥姆霍茲腔與中間直通道構(gòu)成。變化共振腔的幾何參數(shù)可以實現(xiàn)共振特性的調(diào)制
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB5

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本文編號：2599452