【摘要】：在過去多10年里,聲學(xué)超材料的研究受到人們越來越多的關(guān)注。聲學(xué)超材料是一種人工的復(fù)合材料,其單元尺寸遠(yuǎn)小于波長,即亞波長尺寸。因此,聲超材料的屬性可以由等效媒質(zhì)理論來解釋,并具有很多自然材料所不具備的特殊性質(zhì),比如負(fù)質(zhì)量密度、負(fù)彈性模量、各向異性參數(shù)等。最近,出現(xiàn)了一種超薄的超材料,稱為“超表面”。聲超表面基于聲相位的突變實現(xiàn)波陣面的自由調(diào)控,打破了對傳播效應(yīng)的依賴,可以任意調(diào)控具有亞波長分辨率的波陣面的形狀。例如,可以利用聲超表面實現(xiàn)異常折射/反射、平面聚焦、非衍射束、聲吸收及聲渦旋等。研究寬帶及輕薄的超表面器件不僅具有重要的科學(xué)意義,并有望在實際應(yīng)用中產(chǎn)生顯著價值。基于上述研究背景,本文研究了聲超表面對聲波的操控及其應(yīng)用。在第一章中,介紹了研究的背景和相關(guān)的理論,關(guān)于廣義斯奈爾定律的理論推導(dǎo)和聲超表面設(shè)計的研究進(jìn)展。在第二章中,首先提出了無色散波陣面操控的概念,設(shè)計了能夠突破帶寬限制并任意操控聲波陣面的人工反射表面,證明了超寬帶的異常反射、聲聚焦和非衍射束,并基于相控陣?yán)碚撎岢隽艘粋�物理模型來解釋波束操控現(xiàn)象,為寬帶聲學(xué)器件的研制提供了新的思路。隨后,提出了可同時在基頻及倍頻處工作的多頻聲超表面的設(shè)計理論,打破了基于共振的傳統(tǒng)聲超表面只能在單一頻率下工作的限制,使得聲超表面適用于非線性聲源情況。在第三章中,首先設(shè)計和制備了一個能夠在寬帶內(nèi)實現(xiàn)單向聲傳輸?shù)闹蓖ǖ?包含一個比波長更寬的間隙,可用作流體或物體的通道。其后,提出了具有平直內(nèi)壁、完全開放的單向聲學(xué)隧道的設(shè)計原理,并在實驗上制備了器件。基于此,提出了在無源多端口體系中打破任何兩個相鄰端口之間聲傳輸對稱性的機(jī)理,并可以任意調(diào)節(jié)端口數(shù)目和端口位置。最后,實驗證明了角動量偏置諧振腔中的非互易聲傳輸現(xiàn)象,實現(xiàn)了在低轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)角動量偏置的新機(jī)制。以上四種非對稱聲傳輸機(jī)制將有助于新型聲學(xué)單向器件的設(shè)計。在第四章中,證明了通過調(diào)控聲超材料中的損耗,可以同時和解耦地操控反射波的振幅和相位,實現(xiàn)聲波的精細(xì)操控。通過實現(xiàn)高質(zhì)量的非衍射束、多焦點聲聚焦、高保真二維單平面聲全息和多平面三維聲全息,證明了提出的方法的重要性,其效果優(yōu)于傳統(tǒng)的純相位方法。該機(jī)制通過操控聲超表面中的損耗,打開了新的聲波調(diào)控自由度,對新型聲學(xué)器件的制備有重要意義。在第五章中,基于聲超表面概念提出了超薄平面施羅德擴(kuò)散體,獲得了不亞于傳統(tǒng)商用器件的聲學(xué)漫反射性能,其厚度則比傳統(tǒng)施羅德擴(kuò)散體小一個數(shù)量級。通過設(shè)計混合結(jié)構(gòu),進(jìn)一步改善了超薄平面施羅德擴(kuò)散體的帶寬。該設(shè)計不僅提出了有望在建筑聲學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的聲學(xué)單元,也向聲超表面的實際應(yīng)用邁出了重要的一步。在第六章中,總結(jié)了主要的結(jié)論和未來工作的展望。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33

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本文編號：2793574