本文關(guān)鍵詞：手性聲學(xué)人工材料的設(shè)計(jì)研究

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【摘要】：近年來(lái),人工材料的研究已經(jīng)取得了豐碩成果,人們已經(jīng)可以利用光子晶體和聲子晶體等新型人工材料,實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波和聲波等經(jīng)典波的控制。在此過(guò)程中,周期性結(jié)構(gòu)的調(diào)制起到了關(guān)鍵作用。在不同的周期結(jié)構(gòu)中,波的傳播行為各不相同,尤其在手性周期結(jié)構(gòu)中,存在一些獨(dú)特的性質(zhì)。本文主要研究手性聲子晶體和聲學(xué)超材料的一些相關(guān)特性。固體聲子晶體中,引入手性結(jié)構(gòu),對(duì)彈性波的傳播會(huì)有一定影響,如使彈性波中的橫波帶分裂為兩條;設(shè)計(jì)手性結(jié)構(gòu)共振單元,周期性組合而成彈性超材料,可以實(shí)現(xiàn)雙負(fù)特性。這種手性雙負(fù)超材料與常規(guī)的雙負(fù)超材料相比,結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),且在固體表面態(tài)共振態(tài)的研究中有重要意義。固體的表面波與材料參數(shù)相關(guān)聯(lián),一般固體的材料參數(shù)都是正數(shù),而手性超材料不但可以使有效參數(shù)變負(fù),而且通過(guò)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)調(diào)整,就可以改變有效參數(shù)。有效參數(shù)的可正可負(fù),擴(kuò)展了人們對(duì)一般固體材料表面波的認(rèn)識(shí)。當(dāng)有效參數(shù)滿足一定關(guān)系時(shí),有望實(shí)現(xiàn)與金屬中表面電磁等離激元(SPP, Surface Plamons Plaritonl相類(lèi)似的聲學(xué)表面共振態(tài)。表面波由于波長(zhǎng)短,局域性好,在實(shí)際應(yīng)用中有重要意義,如打破傳統(tǒng)的衍射極限,實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)分辨率成像。論文第一章簡(jiǎn)單介紹了聲子晶體和聲學(xué)超材料的發(fā)展,表面波產(chǎn)生和相關(guān)特性,以及本文的研究意義。第二章介紹了彈性動(dòng)力學(xué)理論和聲子晶體常用的研究方法,包括多重散射理論和有限元方法。在第三章,我們?cè)O(shè)計(jì)了一類(lèi)三維球形堆疊的手性結(jié)構(gòu)聲子晶體,利用層間多重散射理論討論了彈性波在不同結(jié)構(gòu)的手性聲子晶體中的傳播特性。由于破壞了晶體結(jié)構(gòu)的空間對(duì)稱(chēng)性,出現(xiàn)左右旋橫波的偏振分裂。當(dāng)引入局域共振結(jié)構(gòu)以后,在共振帶隙之上的橫波也發(fā)生了偏振分裂,但卻不會(huì)出現(xiàn)偏振帶的負(fù)群速度。隨后在第四章中,我們首先介紹了金屬表面SPP的形成和一般固體材料的表面共振態(tài)與材料參數(shù)之間的關(guān)系,然后設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)雙負(fù)(有效密度和有效模量同時(shí)為負(fù))特性的二維手性聲學(xué)超材料,這種超材料僅由一種結(jié)構(gòu)單元按周期性排列而成。用傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法得到其有效參數(shù),通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu),使有效參數(shù)在一定范圍內(nèi)任意變化。運(yùn)用comsol軟件計(jì)算和模擬超材料的表面波,發(fā)現(xiàn)在有效參數(shù)滿足λ+μ=0時(shí),存在瑞利表面波,計(jì)算表明這種表面波色散關(guān)系與金屬表面SPP的色散關(guān)系有類(lèi)似的特點(diǎn),即隨著波矢的逐漸增大,色散線逐漸變平坦,并接近于直線λ十μ=0。在第五章,為了證實(shí)第四章中超材料表面的聲學(xué)SPP現(xiàn)象,我們?cè)O(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案,并進(jìn)行了初步的測(cè)量。試驗(yàn)樣品為一塊刻有手性結(jié)構(gòu)的不銹鋼板,利用壓電陶瓷片激發(fā)出鋼板內(nèi)部的低階對(duì)稱(chēng)Lamb波(S0模式)。通過(guò)三維激光測(cè)振儀我們可以直接測(cè)量鋼板上的對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)Lamb波,再提取出面內(nèi)的對(duì)稱(chēng)模式,可以等效為二維固體超常材料中的縱波,以此來(lái)證實(shí)二維手性超材料的聲學(xué)表面SPP。
【關(guān)鍵詞】：聲子晶體 聲學(xué)超材料 多重散射 手性 表面波
【學(xué)位授予單位】：寧夏大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TB34;O735
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 緒論7-17
• 1.1 引言7
• 1.2 人工結(jié)構(gòu)材料7-13
• 1.3 表面波13-14
• 1.4 本文研究意義、目的和主要內(nèi)容14-17
• 第二章 研究方法17-25
• 2.1 引言17
• 2.2 彈性動(dòng)力學(xué)方程17-18
• 2.3 多重散射理論18-23
• 2.4 有限元方法23-25
• 第三章 三維手性聲子晶體25-35
• 3.1 引言25
• 3.2 層間多重散射25-27
• 3.3 三維手性聲子晶體結(jié)構(gòu)及其特性27-33
• 3.4 本章小結(jié)33-35
• 第四章 手性超材料的表面類(lèi)SPP計(jì)算與模擬35-45
• 4.1 引言35
• 4.2 表面波色散關(guān)系35-38
• 4.3 超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)38-41
• 4.4 聲學(xué)表面SPP41-43
• 4.5 本章小結(jié)43-45
• 第五章 固體超材料表面類(lèi)SPP的實(shí)驗(yàn)研究45-51
• 5.1 引言45
• 5.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)45-49
• 5.3 本章小結(jié)49-51
• 第六章 總結(jié)和展望51-53
• 參考文獻(xiàn)53-61
• 致謝61-63
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷63

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