【摘要】：近年來,利用聲子晶體和聲超材料對聲波的操控已成為聲學領域的研究熱點。近零折射率材料具有高透射性與高聲速等特點,聲波可以在近零折射率材料中產(chǎn)生遂穿效應,且近零折射率材料具有較強的魯棒性,即使在材料中嵌入剛性散射體,聲波的出射波形也能保持不變。此外,基于近零折射率材料的聲波方向選擇性,通過改變聲波傳播方向,可以實現(xiàn)多種新奇的聲波特性。因此,基于近零折射率材料的聲學器件在醫(yī)學超聲、建筑聲學及軍事應用等領域具有一定的潛在價值。本文基于近零折射率的聲超材料與聲子晶體,設計了多種新型聲學器件。第一章為緒論,第七章為總結(jié)與展望,第二章到第六章為主要研究內(nèi)容,分別為:(1)聲子晶體與超材料的相關理論與方法;(2)基于近零折射率聲超材料的聲波陣面調(diào)控;(3)基于近零折射率聲超材料的聲聚焦透鏡;(4)基于近零折射率聲子晶體的聲異常透射;(5)基于近零折射率聲子晶體的聲單向傳輸與單向聚焦。第二章中,從基本聲波方程入手,主要介紹了聲子晶體的能帶理論與聲超材料等效參數(shù)計算方法,為研究近零折射率聲子晶體與聲超材料的特性提供基本理論與研究方法。第三章中,基于近零折射率材料的聲波方向選擇機制,利用具有近零折射率特性的蜷曲空間單元設計聲波陣面調(diào)控透鏡,實現(xiàn)對聲波陣面的調(diào)控。當透鏡兩側(cè)分別為豎直平面與傾斜平面時,可以實現(xiàn)對平面聲波的方向調(diào)控;當透鏡兩側(cè)分別為圓弧面與傾斜平面時,可以實現(xiàn)對柱面聲波的方向調(diào)控�；诮阏凵渎食牧系乃泶┨匦�,可以實現(xiàn)聲彎曲傳輸與聲隱身效應,從而使得平面聲波在繞過U型通道結(jié)構(gòu)或具有剛性邊界的隱身區(qū)域的同時,保持波形特征不變。近零折射率聲波陣面調(diào)控透鏡具有單一單元結(jié)構(gòu)、高透射率及高魯棒性等優(yōu)點,為研制新型近零折射率聲學器件提供相應的理論方案與設計原理。第四章中,基于近零折射率材料的聲波方向選擇機制,利用近零折射率蜷曲空間單元設計聲聚焦透鏡,分別實現(xiàn)了平面聲波聚焦、柱面聲波聚焦及平面聲波線聚焦等效應。當透鏡兩側(cè)分別為平面與圓弧面時,可以實現(xiàn)平面聲波聚焦效應;當透鏡兩側(cè)均為圓弧面時,可以實現(xiàn)柱面聲波聚焦效應;當透鏡兩側(cè)分別為平面與具有特定夾角兩個平面時,可以實現(xiàn)平面聲波線聚焦效應;且上述三種透鏡內(nèi)部的剛性散射體對聚焦性能沒有影響。與其它類型聲聚焦透鏡相比,近零折射率聲聚焦透鏡具有單一單元結(jié)構(gòu),高聚焦性及高魯棒性等特點,為設計新型近零折射率聲聚焦透鏡提供理論依據(jù)與實驗參考。第五章中,基于圓柱單元設計兩個大小相同的近零折射率矩形聲子晶體,放置在浸沒在水中的水平狹縫兩側(cè),可以實現(xiàn)聲異常透射效應,且透射波形特征保持不變,而當狹縫左側(cè)有聲子晶體或狹縫兩側(cè)均無聲子晶體時,聲異常透射效應消失,通過狹縫的聲能量很少,且透射波形由平面聲波轉(zhuǎn)變?yōu)橹媛暡�。此�?近零折射率聲子晶體內(nèi)部的剛性散射體與狹縫寬度對聲異常透射性能影響較小,從而說明基于近零折射率聲子晶體的聲異常透射效應具有透射波形不變與高魯棒性等特點,為新型聲異常透射器件的設計研制提供新思路與新方法。第六章中,基于近零折射率材料的聲波方向選擇機制,利用圓柱單元設計具有特定入射面與出射面的近零折射率聲子晶體,分別實現(xiàn)了高性能聲單向傳輸和聲單向聚焦。將平行四邊形聲子晶體嵌入到浸沒在置于水中的彎曲波導結(jié)構(gòu)中,通過調(diào)節(jié)波導的通道方向分別設計實現(xiàn)了聲單向傳輸、雙向聲導通、雙向隔聲及多通道聲單向傳輸?shù)绕骷�。提出一種兩側(cè)分別為平面與圓弧面聲子晶體的聲單向聚焦透鏡,當聲波從平面一側(cè)入射時,可以實現(xiàn)高性能聲聚焦效應;當聲波從圓弧面一側(cè)入射時,聲波無法通過透鏡,透鏡可以同時實現(xiàn)高性能的聲單向傳輸與聲聚焦效應。此外,通過改變透鏡圓弧面的曲率半徑,可以實現(xiàn)焦距的調(diào)控,且透鏡內(nèi)部剛性散射體對聲單向傳輸與聲聚焦性能的影響較小。研究結(jié)果為設計新型近零折射率聲單向傳輸和聲單向聚焦器件提供相應的理論方案與實驗參考。
【圖文】：

基于聲學近零折射率材料的聲波調(diào)控研究構(gòu)的維度可以將聲子晶體分為一維、二維及三晶體結(jié)構(gòu)圖，圓柱單元結(jié)構(gòu)在 x 與 y 軸兩個方向研究主要集中在結(jié)構(gòu)的能帶方面，由于聲子晶體結(jié)構(gòu)具有特殊的能帶結(jié)構(gòu)。為了獲得設計具有一面波展開法[5]、時域差分法[6,7]和有限元法[8]等方法具有不同的優(yōu)勢，在計算過程中，一般采用最調(diào)節(jié)聲子晶體單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實現(xiàn)如隧穿0]、負折射效應[11,12]等多種奇特的聲學效應。

江蘇大學碩士學位論文材料看作均勻介質(zhì)，，為了更好的描述聲超構(gòu)材料的材料進行描述。超構(gòu)材料的研究工作是在電磁波領域，通常電磁介質(zhì)值，折射率n = εμ 也為正值，此時入射電磁波與出。1968 年，Veselago 等人指出如果材料的介電常數(shù)波會在傳播過程中發(fā)生負折射，此時入射與出射電，該材料被稱為負折射率材料[16]。如圖 1.2 負折射率高的自由度。
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O42

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本文編號：2666066