【摘要】：包含聲子晶體、傳統(tǒng)亞波長超材料和聲超表面在內(nèi)的聲學超構材料,經(jīng)過微結構的巧妙設計,可以實現(xiàn)對波動性能的調(diào)控,在降噪隔震、新型聲學器件設計和聲隱身等領域具有廣闊的應用前景。本文針對單相固體聲子晶體和聲超表面進行了研究。提出了固體聲子晶體實現(xiàn)水聲負折射所滿足的條件以及流固阻抗匹配的方法,研究了水聲負折射、聚焦成像、水下隱身等超常聲學特性。另外,提出了一種新的聲超表面可調(diào)機制,據(jù)此設計了連續(xù)可調(diào)的聲超表面,并研究了其寬頻可調(diào)聲聚焦性能。論文的主要內(nèi)容和成果包括:1.給出了固體聲子晶體水聲負折射的產(chǎn)生條件,并據(jù)此設計了一種輕質(zhì)手性單相固體聲子晶體,其幾何形式為正方晶格周期開孔結構,且具有旋轉(zhuǎn)對稱性和輕質(zhì)特點。文中研究了該手性單相固體聲子晶體的水聲負折射特性,及其旋轉(zhuǎn)對稱性對負折射性能的影響。結果表明:手性單胞會導致波矢空間發(fā)生旋轉(zhuǎn),并引起正方晶格的類方形等頻率曲線發(fā)生旋轉(zhuǎn),從而引入非對稱負折射這一新的物理現(xiàn)象;非對稱負折射可以帶來偏離成像和雙點成像等新的聲學成像性能。根據(jù)所設計的手性單相固體聲子晶體的特殊負折射性能,通過引入鏡像對稱,設計了一種多功能聲學結構,同時實現(xiàn)了聲聚焦和波束分離功能。2.提出了一種實現(xiàn)流固阻抗匹配的方法,實現(xiàn)了單相固體聲子晶體的水聲高透射率。結合本文給出的水聲負折射能帶的形成條件設計了一種三角晶格的單相固體聲子晶體,實現(xiàn)了高透射率聲成像,并引入結構的梯度變化實現(xiàn)了聲波蜃景效果。結果表明:這種阻抗匹配方法具有高頻適用性,可以解決固體超構材料在高頻域因阻抗失配而導致透射率過低的問題;據(jù)此所設計的單相固體聲子晶體在高頻區(qū)域得到了水聲負折射能帶;由于所設計的單胞具有較強的各向同性特點,該單相固體聲子晶體的水聲折射率接近-1,且實現(xiàn)了高透射率聲成像功能;結構的單參數(shù)梯度變化可以得到梯度變化的折射率,從而實現(xiàn)了高透射率聲波蜃景效果。3.結合本文提出的流固阻抗匹配方法,設計了一種單相固體梯度聲子晶體,并研究了其水聲定向隱身性能,提出了定向隱身透射聲波相位不匹配問題的解決方法。結果表明:利用所提出的阻抗匹配方法可以提高單相固體梯度聲子晶體的水聲透射率;通過設計折射率按雙曲正割分布的梯度可實現(xiàn)縱波自聚焦現(xiàn)象;通過將其梯度折射率進行反向設計,可得到水下定向隱身斗篷;在定向隱身斗篷的出口處設置聲波延遲裝置可使斗篷內(nèi)外透射聲波的相位互相匹配;將該二維斗篷繞中軸旋轉(zhuǎn),可得到軸對稱的三維定向隱身斗篷,數(shù)值模擬顯示其具有良好的隱身性能。4.根據(jù)螺絲-螺母的工作原理提出了一種聲超表面的可調(diào)機制,據(jù)此設計了連續(xù)可調(diào)的聲超表面,實現(xiàn)了超表面上每一個單元處透射相位的連續(xù)調(diào)控。詳細研究了圓盤超表面的三維可調(diào)聲聚焦性能,建立了等效介質(zhì)模型并進行了實驗測試。結果表明:所設計的可調(diào)聲超表面可以通過控制螺旋單元結構的旋擰深度來調(diào)控螺旋形聲通道的長度,從而在寬頻范圍內(nèi)實現(xiàn)可調(diào)聲聚焦,包括可調(diào)的焦點距離、聲源頻率和類型(平面波聲源或點源)等。研究表明,數(shù)值模擬結果、等效模型計算結果以及實驗結果相一致。本文針對單相固體聲子晶體中的超常聲學特性以及可調(diào)聲超表面的研究,為聲波操控提供了重要的理論指導,為新型聲波器件的設計提供了理論基礎。
【圖文】：

逑體、液體或氣體。聲子晶體按其周期拓展的維度可以分為一維、二維和三維，其逡逑典型的結構如圖１－２所示。逡逑（ａ）邐（ｂ）邐（ｃ）逡逑１１１１ｒ逡逑２Ｄ邐３Ｄ逡逑圖１－２⑷一維，（ｂ）二維，（ｃ）三維聲子晶體示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍｓ邋ｏｆ邋ＩＤ邋（ａ），邋２Ｄ邋（ｂ）邋ａｎｄ邋３Ｄ邋（ｃ）邋ＰｎＣｓ逡逑一維聲子晶體表現(xiàn)為某一方向上不同材料的周期排列；二維聲子晶體其散射體為逡逑柱狀排列且排列方式多種多樣，圖ｌ－２（ｂ）中為正方晶格排列，此外還包括長方晶格、逡逑三角晶格和復式晶格排列，其中復式晶格還包括六邊形晶格、Ｋａｇｏｍｅ晶格等多種逡逑晶格［８４］。三維聲子晶體散射體為顆粒狀排布，圖ｌ－２（ｃ）中為簡單立方排布，此外還逡逑有面心立方、體心立方、密排六方等周期形式。逡逑按照傳播模式不同，聲子晶體還可以分為體波（Ｂｕｌｋ邋ｗａｖｅ）聲子晶體、蘭姆波逡逑（Ｌａｍｂ邋ｗａｖｅ）聲子晶體和表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ邋ｗａｖｅ）聲子晶體（見圖ｌ－３（ａ－ｃ））。對于非周逡逑期方向為無限大的理想聲子晶體，或波長遠小于非周期方向尺寸的情況下，周期逡逑結構中傳播的聲波／彈性波為體波

逑體、液體或氣體。聲子晶體按其周期拓展的維度可以分為一維、二維和三維，其逡逑典型的結構如圖１－２所示。逡逑（ａ）邐（ｂ）邐（ｃ）逡逑１１１１ｒ逡逑２Ｄ邐３Ｄ逡逑圖１－２⑷一維，，（ｂ）二維，（ｃ）三維聲子晶體示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍｓ邋ｏｆ邋ＩＤ邋（ａ），邋２Ｄ邋（ｂ）邋ａｎｄ邋３Ｄ邋（ｃ）邋ＰｎＣｓ逡逑一維聲子晶體表現(xiàn)為某一方向上不同材料的周期排列；二維聲子晶體其散射體為逡逑柱狀排列且排列方式多種多樣，圖ｌ－２（ｂ）中為正方晶格排列，此外還包括長方晶格、逡逑三角晶格和復式晶格排列，其中復式晶格還包括六邊形晶格、Ｋａｇｏｍｅ晶格等多種逡逑晶格［８４］。三維聲子晶體散射體為顆粒狀排布，圖ｌ－２（ｃ）中為簡單立方排布，此外還逡逑有面心立方、體心立方、密排六方等周期形式。逡逑按照傳播模式不同，聲子晶體還可以分為體波（Ｂｕｌｋ邋ｗａｖｅ）聲子晶體、蘭姆波逡逑（Ｌａｍｂ邋ｗａｖｅ）聲子晶體和表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ邋ｗａｖｅ）聲子晶體（見圖ｌ－３（ａ－ｃ））。對于非周逡逑期方向為無限大的理想聲子晶體，或波長遠小于非周期方向尺寸的情況下，周期逡逑結構中傳播的聲波／彈性波為體波
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O735

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本文編號：2614635