聲學(xué)是屬于物理學(xué)的一個經(jīng)典分支,其主要目標(biāo)在于研究聲波的產(chǎn)生、傳播、接受及其伴生的相關(guān)效應(yīng),具有極強(qiáng)的交叉性與延伸性。作為人類最早研究的物理現(xiàn)象之一,自古以來,聲音就和光、電一樣,是人類生活中重要的信息載體之一。近年來,得益于納米技術(shù)和相關(guān)新理論的發(fā)展,電磁學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域中涌現(xiàn)出的新概念--超構(gòu)材料,正日益獲得學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。與光學(xué)超構(gòu)材料類似,聲學(xué)超構(gòu)材料能實現(xiàn)對聲波的傳播進(jìn)行特定的調(diào)節(jié)和控制,而這些手段或性質(zhì)是以往的傳統(tǒng)材料所無法實現(xiàn)的。帶有零折射率,甚至負(fù)折射率性質(zhì)的聲學(xué)超構(gòu)材料為聲學(xué)成像以及亞波長尺度下對聲波的控制提供了嶄新的可能性。通過結(jié)合變換聲學(xué)理論和高度各向異性的聲學(xué)超構(gòu)材料,人們已經(jīng)可以實現(xiàn)諸如聲隱身之類的特殊物理現(xiàn)象。對聲波信號而言,媒質(zhì)的材料性質(zhì)、邊界條件以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)是決定其聲能量傳播方式的重要因素,本文便從這幾個方面入手結(jié)合聲學(xué)超構(gòu)材料對聲束調(diào)控進(jìn)行了一些研究。論文主要分為以下幾部分:1.從調(diào)節(jié)傳輸媒質(zhì)屬性角度出發(fā),研究了基于溫度梯度的聲黑洞。本文結(jié)合幾何聲學(xué)理論,提出了應(yīng)用于空氣媒質(zhì)中的基于溫度梯度的二維圓柱體結(jié)構(gòu)的聲全向吸收方案。此方案的機(jī)理在于空氣中的溫度場連續(xù)變化引起聲相對折射率的漸變。由于未使用局域共振單元,該方案還具有相對較寬的工作頻帶。在此基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化熱源的空間分布位置實現(xiàn)了基于溫度梯度分布的聲聚焦效應(yīng)和彎曲聲束。2.從調(diào)節(jié)邊界條件角度出發(fā),研究了基于聲超構(gòu)表面的輻射圖樣調(diào)控。通過改變刻蝕的周期二維亥姆霍茲共鳴器的空間位置分布,可在半無限大平面區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)近乎任意方向的準(zhǔn)偶極子輻射圖樣,且其對指向性的調(diào)控能夠保持相對較寬的工作頻帶。該機(jī)理在于亥姆霍茲共鳴器的周期分布改變了相應(yīng)空間位置上的等效聲阻抗率,即改變了等效邊界條件,借由這種方式實現(xiàn)了對不同方向的波矢的裁剪,并最終獲得了強(qiáng)指向性的聲波輻射效果。該方案能有效抑制旁瓣的出現(xiàn),從而提升了聲能的利用率。另外,我們還通過類比表面等離激元的發(fā)生原理,在原先僅刻蝕亥姆霍茲共鳴器來調(diào)控邊界條件的基礎(chǔ)上加入了周期分布的聲柵,從而成功激發(fā)出了集體性聲表面波,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了超長距離的聲自準(zhǔn)直傳輸,且該現(xiàn)象同時適用于二維及三維情況。同時我們研究了改變聲柵的大小對出射信號的影響情況。3.從改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)角度出發(fā),本文基于亥姆霍茲共鳴器構(gòu)建平板周期陣列的隔聲結(jié)構(gòu),僅用單層構(gòu)件即可獲得良好的阻擋聲波效果;用兩種尺寸的共鳴器組成陣列,實現(xiàn)不同頻率下的聲信號的分離提取;使用漸變的共鳴器陣列在不同空間位置駐留聲波,實現(xiàn)聲彩虹捕獲現(xiàn)象。本論文中涉及的聲束操控方案大部分都基于亞波長尺度下的結(jié)構(gòu)單元,對未來設(shè)計和研制小尺度集成化聲器件有相應(yīng)的理論指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O42
【部分圖文】：

絕大多數(shù)情況下，／ｒ和ｐ這兩個參數(shù)是由材料或媒質(zhì)本身的化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)??所固化下來的，其數(shù)值均為正值且一般難以改變（某些環(huán)境因素作用下可改變其??數(shù)值，如溫度因素），如圖１．１（ａ）所示。然而，聲學(xué)超構(gòu)材料卻能獲得自然界中??不存在的負(fù)值等效屬性，即負(fù)等效質(zhì)量密度［８，?１４，?１５］、負(fù)等效體彈性模量［１６，??１７］，以及雙負(fù)屬性材料［１８－２３］，分別如圖ｌ．ｌ（ｂ－ｄ）中所示。這些具有定制屬性值??的超構(gòu)材料能實現(xiàn)諸多異�，F(xiàn)象，如能流方向與波矢方向相反或無相移的聲傳??播，這些效應(yīng)為突破衍射極限的超分辨率聲成像提供了新的思路。??３??

能接收到非常微弱的反饋，而同時最包含其外觀細(xì)節(jié)的波動恰恰是其表面附近的??倏逝波，這種波動由于自身的指數(shù)性衰減特性，在遠(yuǎn)場處幾乎無法被捕獲到，如??圖１．２（ａ）所示。??ａ?ｂｅｄ??／ｙ?＾?ｕｑ?￣￣??＃Ｖ＿ｓ＾ＪＳ＾３??ｖ＇＊?／／??Ｆａｒ?ｆｉｅｌｄ?ｆ?、■?＇??????ｓｃａｔｔｅｒｅｄ?ｓｏｕｎｄ?Ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ?ｆｉｅｌｄ?ｎ?＝－＼／＊＆?＝?Ａ＞：＞＆?ｎ？ｌ??圖１．２亞波長尺度聲學(xué)成像［３］??為了要獲得超高分辨率的成像效果，人們迫切需要能夠有效收集到倏逝波信??息的近場成像技術(shù)。首先，光學(xué)中的“完美透鏡”可以給我們提供類似的思路，即??利用帶有負(fù)折射率的材料經(jīng)二次負(fù)折射后可以將近場倏逝波在遠(yuǎn)場進(jìn)行放大重??現(xiàn)，從而突破理論上的衍射極限［１２］。由于聲、光的類比性，利用負(fù)折射材料制??作的聲超透鏡在理論上是可行的［３５］，如圖１．２（ｂ）所示。雖然受制于材料媒質(zhì)的??阻抗匹配以及粘性損耗等因素，在近年來實驗驗證中的效能提升仍然值得人們關(guān)??注［４，?３６］。??數(shù)值仿真和實驗驗證均已證明各向異性材料通過局域共振單元能夠?qū)⒔鼒??倏逝波信息經(jīng)放大后轉(zhuǎn)為行波從而在遠(yuǎn)場重現(xiàn)［３７，?３８］，如圖１．２（ｃ）所示。這一機(jī)??理在于材料的各向異性所帶來的色散關(guān)系能夠加載近場倏逝波信息并將其拓展??到了遠(yuǎn)場輻射。與此類似

可以通過合理配置電磁材料屬性的分布來得以實現(xiàn)［６１，?６２］。由于波動方程與麥??克斯韋方程在數(shù)學(xué)上的類比性，變換聲學(xué)作為變換光學(xué)的衍生物被順理成章地提??出，如圖１．３所示，并己得到了實驗驗證［１０，?１１］。??ａ?Ｓｉｍｐｌｅ?ｍｅｄｉｕｍ?ｂ?Ｄｅｆｏｒｍｅｄ?ｇｒｉｄ?ｃ?Ａｃｏｕｓｔｉｃ?ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ??ＢＳｎｉｌｌＤＪＪＴＨ?ＥＥｆｆｒｉＳｆｉＫＥ１??＿＿｜＿ｊ????ｉ?ｊ?■－－ｆ－?ｊ?Ｉ?！?１???ｒ＂?ｊｒ??１?１￣Ｉ—｜???ｔ?｜?．…＋…ｉ?１?—ｊ－．?ｊ?Ｉ??涵稱運標(biāo)（ｌ裕：爾名補(bǔ)〒十－??．．．ｉ．?｜?＇！???１?ｊ一?－＇二?＿，－了－、？＇、：？、－一?■?？?’?一卜一一一??Ｈ＋－冊－開如?工十ｒ?�。�?ｆｃｐ＇ｎｌｌ?…丨?Ｉ??Ｈ－Ｈ－ｔＨ——－ｆｔ－＝＝并＝＝ｎｒｚ?二二＝ｒ?ｐ：＝＝＿Ｌ＝琴?３ｚ＝??ＦＨ＝－－Ｔ?Ｔ１１１?－－丁＝＝甘＝＝�。酵�?Ｆ：＝＝＝ｆｆ＝二韋廿二??Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ?ｐ．?Ｋ?Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ／？＾?Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ?ＸＮｅｗ／），Ｋ??圖１．３變換聲學(xué)理論和超構(gòu)材料??需要說明的是，同電磁學(xué)中的情況不同，變換聲學(xué)理論與背景流體媒質(zhì)的速??度是有關(guān)聯(lián)的，不過當(dāng)流速較低時其影響可忽略不計［６３］。要實現(xiàn)聲隱身需要保??證材料具有可控的非均質(zhì)性和各向異性，換句話說，就是材料屬性可隨空間位置??不同而有所差異，同時也可按照不同方向的延展而變化。目前聲隱身的可行性在??二維、三維情況下均己通過實驗得到了驗證［６４
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2854534