發(fā)布時(shí)間：2020-03-27 04:51

【摘要】：近年來(lái),聲學(xué)超構(gòu)材料的研究引起了人們的廣泛關(guān)注。聲學(xué)超材料以亞波長(zhǎng)尺寸的結(jié)構(gòu)為基本單元,能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)自然材料所不具備的特殊性質(zhì),如密度各向異性、負(fù)的質(zhì)量密度、負(fù)的彈性模量等。聲學(xué)超構(gòu)材料在波形操控領(lǐng)域的作用十分顯著,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)入射聲波陣面的自由控制,以獲得所需要的目標(biāo)聲場(chǎng),這極大地豐富了對(duì)聲波的操控能力。基于此,研究者已經(jīng)設(shè)計(jì)出了大量的聲學(xué)器件來(lái)完成對(duì)聲場(chǎng)的調(diào)控。聲學(xué)超構(gòu)材料有著廣闊而誘人的應(yīng)用前景,例如,聲學(xué)負(fù)折射率材料的設(shè)計(jì),聲波單向傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)和聲學(xué)隱身衣的發(fā)明等。另一方面,對(duì)聲學(xué)軌道角動(dòng)量的探索日益成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。攜帶軌道角動(dòng)量的聲學(xué)螺旋波,其波陣面將呈現(xiàn)出螺旋式的扭曲,扭曲程度用拓?fù)潆姾蓴?shù)來(lái)表征。對(duì)于聲學(xué)螺旋波,僅用頻率、幅值、相位這三個(gè)維度已經(jīng)不能完整地描述這種聲波的基本特性,必須引入軌道角動(dòng)量這個(gè)新的維度。作為一個(gè)全新的自由度,聲學(xué)軌道角動(dòng)量為自由操控聲波提供了新的可能。因此,對(duì)聲學(xué)軌道角動(dòng)量的研究具有基礎(chǔ)性的理論價(jià)值。同時(shí),在實(shí)際應(yīng)用中,攜帶軌道角動(dòng)量的聲學(xué)螺旋波能夠作為聲鑷子,以實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子的準(zhǔn)確局域控制;利用聲螺旋場(chǎng)中的聲輻射力,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)粒子的非接觸推拉操控;利用聲學(xué)螺旋場(chǎng)中的聲扭矩,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物體的非接觸式旋轉(zhuǎn)操控等。這些例子說(shuō)明,對(duì)聲軌道角動(dòng)量的研究具有顯著的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。值得注意的是,在現(xiàn)階段,基于聲學(xué)超構(gòu)材料已實(shí)現(xiàn)的對(duì)聲波的操控,包括各種特殊聲學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)、聲學(xué)隱身及聲學(xué)幻像的實(shí)現(xiàn)等,大部分都仍然局限于對(duì)僅攜帶線性動(dòng)量的聲波進(jìn)行控制。本文利用聲學(xué)超構(gòu)材料的獨(dú)特聲學(xué)特性以及亞波長(zhǎng)的幾何優(yōu)勢(shì),在實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波的線性動(dòng)量的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)聲波角動(dòng)量的自由操控。此外,本文將聲學(xué)軌道角動(dòng)量作為全新的自由度擴(kuò)展在聲學(xué)通信系統(tǒng)中,提出了基于聲軌道角動(dòng)量的多路復(fù)用技術(shù)中。本文對(duì)聲學(xué)超構(gòu)材料和聲軌道角動(dòng)量的結(jié)合進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究。主要包括以下內(nèi)容:第一章為緒論,回顧了聲學(xué)超構(gòu)材料的研究背景,介紹了該領(lǐng)域當(dāng)前的研究方向和最新成果。并針對(duì)本文的研究?jī)?nèi)容,介紹了聲學(xué)超構(gòu)材料和聲學(xué)螺旋波的相關(guān)基礎(chǔ)理論和計(jì)算方法。第二章中,本文將首先介紹聲學(xué)軌道角動(dòng)量和聲螺旋波的物理概念,以及其在不同的研究領(lǐng)域中的重要理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。其次,簡(jiǎn)要介紹產(chǎn)生聲螺旋波的傳統(tǒng)方法:主動(dòng)式聲學(xué)相控陣方法和被動(dòng)式螺旋厚度結(jié)構(gòu)法,并對(duì)比說(shuō)明了傳統(tǒng)方法的固有缺陷。為了解決傳統(tǒng)方法的局限性,我們利用結(jié)構(gòu)對(duì)聲波的衍射原理,提出一種利用超薄的亞波長(zhǎng)螺旋裂縫耦合型的聲學(xué)超表面,用以產(chǎn)生寬頻帶、拓?fù)潆A數(shù)穩(wěn)定的聲學(xué)螺旋波。通過(guò)所設(shè)計(jì)的螺旋裂縫結(jié)構(gòu),可以有效地將具有均勻相位分布的入射平面聲波轉(zhuǎn)化為攜帶軌道角動(dòng)量的聲學(xué)螺旋波,使其具有螺旋扭曲的等相位面分布。通過(guò)改變超表面結(jié)構(gòu)中的螺旋裂縫的數(shù)目,在理論和實(shí)驗(yàn)中,我們實(shí)現(xiàn)了自由地產(chǎn)生具有不同拓?fù)潆A數(shù)的聲螺旋波。同時(shí),我們展示了該超表面在不同工作頻率下的效果,證明了該螺旋裂縫耦合結(jié)構(gòu)具有傳統(tǒng)方法所不具備的寬頻帶的工作特性。此外,所設(shè)計(jì)的螺旋裂縫型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲螺旋波能夠在沿傳播方向的長(zhǎng)距離范圍內(nèi)保持其拓?fù)潆A數(shù)穩(wěn)定不變,這種拓?fù)潆A數(shù)的空間穩(wěn)定性在實(shí)際中同樣具有重要意義。第三章,本文將首先介紹利用聲學(xué)雜化共振原理所設(shè)計(jì)的透射型聲學(xué)超表面,并展示利用這種超表面來(lái)產(chǎn)生沿特定預(yù)設(shè)軌跡傳播的非軸向自加速聲束。本文將著重介紹基于聲學(xué)共振原理所提出的,利用聲學(xué)共振產(chǎn)生聲軌道角動(dòng)量的全新物理機(jī)制�；谶@種物理機(jī)制,在理論上,本文嚴(yán)格推導(dǎo)了如何通過(guò)在亞波長(zhǎng)尺寸的非螺旋狀平面聲學(xué)共振型超構(gòu)材料中,產(chǎn)生依賴(lài)于角度方向的等效聲波矢量,將聲學(xué)共振轉(zhuǎn)化為聲軌道角動(dòng)量。在數(shù)值仿真和具體的實(shí)驗(yàn)測(cè)量中,本文利用所提出的基于聲學(xué)共振轉(zhuǎn)換的物理機(jī)制,成功地產(chǎn)生一階貝塞爾型聲學(xué)螺旋場(chǎng),為產(chǎn)生聲學(xué)軌道角動(dòng)量提供了理論上的創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)上的支持。同時(shí),我們展示了在該物理轉(zhuǎn)換機(jī)制的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)所具有的重要性能:高轉(zhuǎn)換效率、亞波長(zhǎng)的幾何尺寸、制備簡(jiǎn)單、外形平整且不包含幾何螺旋性,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法中的缺陷,成功地完成了用亞波長(zhǎng)的平面型聲學(xué)結(jié)構(gòu)高效地產(chǎn)生聲學(xué)螺旋波的目標(biāo),開(kāi)辟了生成聲軌道角動(dòng)量的新途徑,對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究具有重要價(jià)值。第四章中,本文將首先回顧利用聲波為載體的信息傳輸技術(shù)的應(yīng)用背景,以及聲學(xué)多路復(fù)用通信技術(shù)的發(fā)展過(guò)程,并將簡(jiǎn)要地介紹該領(lǐng)域的一些前沿代表性工作。已有的聲學(xué)多路復(fù)用技術(shù)的發(fā)展,包括在時(shí)間、頻率、幅值、相位等自由度及編碼調(diào)制技術(shù)上的創(chuàng)新,已經(jīng)不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的以聲波為載體的大容量信息傳輸?shù)男枨蟆樘岣攥F(xiàn)有的聲學(xué)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率,本文引入聲軌道角動(dòng)量作為一個(gè)獨(dú)立于傳統(tǒng)多路復(fù)用自由度的全新維度,提出基于聲軌道角動(dòng)量的多路復(fù)用手段。通過(guò)將二進(jìn)制信息編碼在由具有不同拓?fù)潆A數(shù)的聲螺旋模態(tài)所組成的通訊信道上,在同一物理線路中進(jìn)行同步傳輸,并在接收端利用聲學(xué)超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)純被動(dòng)式的模態(tài)解耦和高效率和高準(zhǔn)確度的信息解碼,能夠在現(xiàn)有的以聲波為載體的通信系統(tǒng)的發(fā)展基礎(chǔ)上,進(jìn)一步低成本并顯著地?cái)U(kuò)充聲學(xué)通信系統(tǒng)的信息傳輸效率。本文首次在實(shí)驗(yàn)上展示了利用基于聲軌道角動(dòng)量的聲學(xué)多路復(fù)用技術(shù)的實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸?shù)男Ч?并成功地重構(gòu)出一系列的圖像信息。將聲學(xué)軌道角動(dòng)量作為一個(gè)新的自由度應(yīng)用于聲學(xué)通信技術(shù)中,不僅能夠擴(kuò)展聲軌道角動(dòng)量的應(yīng)用領(lǐng)域,更將為高速度和大容量的聲學(xué)通信系統(tǒng)的發(fā)展開(kāi)辟新的途徑,這將為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展,例如水下探測(cè)和通訊等,提供更大的可能性。最后,第五章給出了本文的主要結(jié)論,以及對(duì)未來(lái)的工作展望。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括以下三個(gè)方面。(1)利用聲學(xué)超材料實(shí)現(xiàn)對(duì)聲軌道角動(dòng)量的控制。已有的聲超構(gòu)材料大多都僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)攜帶線性動(dòng)量的聲波進(jìn)行控制。本文將聲超構(gòu)材料的操控能力擴(kuò)展至對(duì)聲軌道角動(dòng)量的控制領(lǐng)域,提出一種利用超薄的平面狀螺旋裂縫型聲學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生寬頻帶、拓?fù)潆A數(shù)穩(wěn)定的聲螺旋波的設(shè)計(jì)方案。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,展示傳統(tǒng)方法所不具備的獨(dú)特寬頻帶特性及拓?fù)潆A數(shù)穩(wěn)定性,這兩個(gè)基本特性在實(shí)際中將具有重要意義。(2)提出將聲學(xué)共振轉(zhuǎn)換為聲軌道角動(dòng)量的全新物理機(jī)制。利用聲學(xué)共振原理,有效地將具有均勻相位分布的平面聲波轉(zhuǎn)化為攜帶軌道角動(dòng)量的聲螺旋波。嚴(yán)格推導(dǎo)了通過(guò)在亞波長(zhǎng)的非螺旋狀平面聲學(xué)共振超結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生等效聲波矢量以產(chǎn)生攜帶軌道角動(dòng)量的聲螺旋波,在實(shí)驗(yàn)上成功產(chǎn)生一階貝塞爾型聲螺旋場(chǎng)。其高轉(zhuǎn)換效率、亞波長(zhǎng)的幾何尺寸、制備簡(jiǎn)單、外形平整且不包含螺旋結(jié)構(gòu)等重要特性,將彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的缺陷,對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究具有重要價(jià)值。(3)提出基于聲軌道角動(dòng)量的多路復(fù)用技術(shù)。將聲軌道角動(dòng)量作為全新的多路復(fù)用自由度,引入到聲學(xué)通信系統(tǒng)中,首次利用聲學(xué)超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)純被動(dòng)式螺旋模態(tài)解耦和高效的信息解碼,在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信號(hào)的傳輸,并成功地重構(gòu)出一系列的圖像信息。能夠在現(xiàn)有的聲學(xué)通信系統(tǒng)的發(fā)展基礎(chǔ)上,顯著提高以聲波為載體的信息傳輸效率。將對(duì)高速度、大容量的聲學(xué)通信系統(tǒng)的發(fā)展開(kāi)辟新的途徑,為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供更大的可能性。
【圖文】：

圖１．１．１自然界中存在的傳統(tǒng)材料和人工設(shè)計(jì)的電磁學(xué)超構(gòu)材料示意圖。自然材料中，其基逡逑本組成單元是原子或分子，其基本屬性由原子、分子的種類(lèi)和排布方式?jīng)Q定；電磁學(xué)超構(gòu)材逡逑料中，其基本組成單元是人工設(shè)計(jì)的特殊幾何結(jié)構(gòu)，如不同的亞波長(zhǎng)共振單元，使得整體的逡逑復(fù)合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了傳統(tǒng)自然材料所不具有的特殊屬性。逡逑在電磁學(xué)中，人們通常定義兩個(gè)宏觀的電磁學(xué)參數(shù)用來(lái)表征材料的性質(zhì)：介逡逑電常數(shù)Ｓ和磁導(dǎo)率Ａ。通常情況下，我們習(xí)慣于使用與真空中的介電常數(shù)Ａ和磁逡逑導(dǎo)率的相對(duì)比值：相對(duì)介電常數(shù)ｅ，邋＝￡■／￡■。和相對(duì)磁導(dǎo)率同時(shí)，電逡逑磁學(xué)中通常使用折射率《＝７＾７、阻抗＾來(lái)描述材料在電磁波的作用下逡逑的平均響應(yīng)。在傳統(tǒng)的自然材料中，除了大多數(shù)金屬的介電常數(shù)ｅ為負(fù)值以外，逡逑

圖１．１．３空間折疊型聲學(xué)超構(gòu)材料及其相位操控能力。逡逑（ａ）邐ｈ邐Ｗ邐＾逡逑＾Ｑｈ逡逑0邋Ｘ逡逑（ｂ）？ｈ0逡逑■邋Ｉ邐—雜化型邐ｉ邋？邐＾逡逑２ｎ邋．邋Ｉ邋＼＼Ｙ＇／邐－—雜化型邐．Ｐｉ逡逑＾？５邋＇邋Ｉ邋ｙｆ邋ｆ＊］．．．．．．．．．．ｉ．．．．．．一邋－．邋ｉ邋—邋■…．級(jí)聯(lián)ＨＲ邋—邋—邋．－０．５逡逑：．｜具邋ｊ■十？？「？邐丫？…逡逑Ｉ邋Ｉ邋＾ｒ＼邋Ｉ邋■逡逑．＾－－ｇ－－Ｌ－ｉ■■■■■－—１－——＾—ｉ＾Ｌ＿一＊邐Ｕ＿，邐１邐ｄ——１０．０逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB34

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本文編號(hào)：2602489