發(fā)布時間：2020-07-28 11:43

【摘要】：聲學超材料是基于聲子晶體提出的新型聲學功能材料,都是能用于操控聲波傳播的人工結(jié)構(gòu)材料。操控聲波傳播的本質(zhì)是其聲子帶隙特性,這一特性使它在低頻隔聲、濾波器、超透鏡等方面有著潛在的工程應用價值,因其廣闊的運用前景受到世界各國學者和研究機構(gòu)的極大關(guān)注。本文將分形理論引入到聲學超材料的微觀結(jié)構(gòu)設計中,構(gòu)建具有分形結(jié)構(gòu)的聲學超材料,結(jié)合有限元仿真分析方法與相關(guān)理論知識,系統(tǒng)地對聲學超材料的聲學特性展開研究,主要內(nèi)容和結(jié)果包括:(1)將自相似分形理論引入聲學超材料的結(jié)構(gòu)設計,對不同平面晶格(如正方晶格,正方心晶格,三角形晶格,六角晶格和Kagomé晶格)排列的分形迷宮型聲學超材料能帶結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)研究,同時研究Bravais點陣在迷宮型聲學超材料能帶結(jié)構(gòu)中的影響。研究結(jié)果表明:自相似分形和Bravais晶格類型對迷宮型聲學超材料的帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的影響,自相似分形階數(shù)的增加,延長了聲通道路徑,增加了傳播時間,降低聲音的有效相速度。通過調(diào)整Bravais點陣類型,有機會產(chǎn)生極好的寬帶和可調(diào)制帶隙。自相似分形和Bravais點陣對迷宮型聲學超材料帶結(jié)構(gòu)影響的系統(tǒng)研究,為選擇所需能帶結(jié)構(gòu)的Bravais點陣提供了理論指導,有利于引發(fā)更多的工程實際應用。(2)結(jié)合分形理論與聲學超材料的結(jié)構(gòu)設計,構(gòu)建自相似分形聲學超材料模型,為次聲波領(lǐng)域聲學過濾器的研究提供了可能。研究表明,隨著分形階數(shù)的增加,一階帶隙向更低頻域轉(zhuǎn)移。三階分形卷繞空間聲學超材料的一階帶隙的歸一化頻率遠小于1,更高階次的分形卷繞空間聲學超材料更容易實現(xiàn)亞聲波領(lǐng)域隔聲降噪。通過簡單陣列卷繞空間聲學超材料發(fā)現(xiàn),存在于單個聲學超材料中的帶隙將分為兩個或者多個孤立的帶隙。隨著分形階數(shù)的增加,分隔產(chǎn)生的帶隙數(shù)量越多。高階分形卷繞空間聲學超材料可以有效實現(xiàn)亞波長隔聲和多頻段濾波。(3)傳統(tǒng)聲學性能預測是基于確定的幾何模型、材料參數(shù)、環(huán)境變量等因素,通過數(shù)值仿真分析求解聲場的聲學特性。實際聲場分析中,存在著大量的不確定性。通過簡單隨機抽樣,得到一定數(shù)量的樣本,檢驗三階分形卷繞空間聲學超材料的聲學傳輸特性。結(jié)果表明,本文設計的三階分形卷繞空間聲學超材料的魯棒性能比較優(yōu)越,對類似的聲學超材料設計提供了理論依據(jù)。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB34
【圖文】：

(a) 一維聲學超材料 (b) 二維聲學超材料 (c) 三維聲學超材料圖 1.1 一、二、三維聲學超材料示意圖超材料具有負折射等特殊性能，可以實現(xiàn)聲波聲學超表面、負量、負的剪切模量或者雙負等）、隱身效應（如圖 1.2 (a)）、圖 1.2 (b)所示）、超透鏡（如圖 1.2 (c)所示）、聲導波（如圖能，在國防軍事和日常生活中有一定的應用價值[11-17]。聲學超低頻隔聲降噪提供有力支撐，幫助實現(xiàn)在噪聲源處控制噪聲和將噪聲進行隔離，突破高精尖加工儀器和設備面臨的振動噪聲加工環(huán)境，延長儀器和設備的使用壽命[18]。(a) 聲隱聲(b) 聲聚焦聲源像

碩士學位論文猷等人[19]將硅橡膠包裹的鉛球嵌入到環(huán)氧樹材料（如圖 1.3 所示），按照簡單立方晶格料成功地在低頻產(chǎn)生負的等效質(zhì)量密度，生散射機理產(chǎn)生的帶隙降低兩個數(shù)量級，打破出局域共振的概念。此后，其團隊還針對這因素進行了相應分析、探討[20, 21]。

圖 1.3 局域共振型聲學超材料及其帶隙，Walser 等人[22]研究電磁波時，首次給出超材料的定義料不具備物理性質(zhì)的復合材料或者人工復合材料。，Li 等人[23]類比“光學超材料”的概念，通過加入諧振現(xiàn)了雙負聲學性能（負質(zhì)量密度和負彈性模量），首次提概念。，F(xiàn)ang 等人[24]對一種亞波長 Helmholtz 共振型聲學超材oltz 共振型聲學超材料在共振頻率附近具有負的等效動態(tài)聲波在 Helmholtz 共振型聲學超材料傳輸過程中，群速度基于等效介質(zhì)理論，計算了能帶結(jié)構(gòu)與透射率，結(jié)果表明非常吻合，這類 Helmholtz 共振型聲學超材料為負折射和。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

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相關(guān)博士學位論文 前2條

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本文編號：2772831