本文關(guān)鍵詞：聲人工結(jié)構(gòu)對聲波的調(diào)控研究

  更多相關(guān)文章： 超常材料 聲子晶體 變換聲學 非衍射波 單向傳播 聲學斗篷

【摘要】：近年來,聲人工結(jié)構(gòu)憑借其獨特的聲學性質(zhì)及廣闊的應(yīng)用前景,得到了人們越來越多的關(guān)注。依據(jù)結(jié)構(gòu)單元與工作波長的關(guān)系,聲人工結(jié)構(gòu)主要可分為聲子晶體和聲學超常材料。一般來說,聲子晶體和聲學超常材料都是材料參數(shù)在空間按周期分布的復合材料,但聲子晶體有著與其工作波長可比擬的結(jié)構(gòu)單元尺寸,而聲學超常材料則通常為亞波長結(jié)構(gòu)(即結(jié)構(gòu)單元遠小于聲波波長)。首先得到廣泛關(guān)注的是聲子晶體,其概念的提出基于能帶理論及其與天然晶體和光子晶體間的類比。在對特定結(jié)構(gòu)聲子晶體能帶特性的研究中,人們相繼發(fā)現(xiàn)了聲學禁帶、負折射等現(xiàn)象,并利用這些新效應(yīng)實現(xiàn)了隔聲、聚焦以及濾波和聲波導等功能。當所研究的工作頻段移到低頻區(qū)時,聲波波長將遠大于尺寸結(jié)構(gòu),此時可基于等效媒質(zhì)理論將復合材料看作等效的均勻媒質(zhì),從而形成了超常材料的概念。該等效媒質(zhì)可具有天然材料所不具備的一些特殊性質(zhì),比如密度各向異性,以及引入共振效應(yīng)后產(chǎn)生的負聲學參數(shù)等。結(jié)合同時興起的變換聲學作為設(shè)計手段,聲學超常材料可以用來實現(xiàn)聲學隱身斗篷、超薄聲學透鏡等各種新型聲學器件。因此,對聲人工結(jié)構(gòu)中聲傳播特性的研究具有基礎(chǔ)性的學術(shù)價值和實際的應(yīng)用前景,本文將主要從聲波在聲人工結(jié)構(gòu)中的衍射、透射以及散射三個方面系統(tǒng)地對此類結(jié)構(gòu)的聲波調(diào)控展開理論及實驗研究。主要分為以下幾個部分。第一章緒論部分回顧了聲子晶體和聲學超常材料兩個方面的研究背景,介紹了這兩個領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容以及最新進展。第二章由基礎(chǔ)的聲波方程著手,介紹了聲人工結(jié)構(gòu)中聲傳播的相關(guān)理論和方法,主要涉及聲子晶體能帶理論,等效媒質(zhì)理論,變換聲學的理論基礎(chǔ),平面波展開法以及多重散射法等。第三章從聲波衍射的角度對利用聲人工結(jié)構(gòu)操控聲波并產(chǎn)生一個無衍射的靜止聲場的問題展開了研究,并在一個無缺陷的二維聲子晶體中得到了局域化聲波。通過分析聲子晶體能帶單頻面上布洛赫模式疊加而成的波包,預見了在聲子晶體能帶面頂點或鞍點處存在靜態(tài)X波。由于聲子晶體的特殊色散特性,將會因不同方向上的衍射相消而出現(xiàn)X波。對于一個特定的正方晶格聲子晶體,通過數(shù)值計算得到了其獨具特性的X形聲場。第四章從聲波透射的角度,探討了如何利用人工結(jié)構(gòu)來控制信號傳遞的方向并對聲能量高效整流。提出一個由非線性諧振腔和聲學超晶格耦合而成的能量單向傳輸?shù)穆暠额l器模型,并通過數(shù)值計算分析了其透射特性。高Q諧振腔中的共振增強了非線性轉(zhuǎn)化效率,并導致了透射效率對入射聲壓和非線性參量的特殊依賴關(guān)系。數(shù)值計算結(jié)果表明和傳統(tǒng)的聲單向器件相比,同尺寸的單向倍頻器能量透射效率可提高三個數(shù)量級,并在入射聲壓和非線性參量相對都不是很強的情況下達到透射極大,這將有利于減小器件的尺寸并提高器件的靈敏度,對相關(guān)器件的實際應(yīng)用具有重要意義。第五章從聲波散射的角度探討了如何利用人工結(jié)構(gòu)變換聲場達到隱藏一個特定物體的目的。設(shè)計并實際制備了一個可將物體變得如同另一個不同物體的幻象斗篷。斗篷僅由正參數(shù)的各向異性材料構(gòu)成,并且其材料參數(shù)與原物體性質(zhì)以及邊界形狀無關(guān)。數(shù)值計算和實驗結(jié)果都表明所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能有效地改變原物體的散射場來逼近一個所設(shè)計的幻象物體散射場,并且在幻象物體被選為背景媒質(zhì)時能作為隱身斗篷使用。此設(shè)計思路被進一步拓展到實際的三維空間,所設(shè)計的三維寬帶斗篷能有效使任意的三維曲面附近的物體隱身,從而可靈活地應(yīng)用到各種實際場景中。由于所制備的斗篷對不同聲學環(huán)境和探測信號的靈活適用性,這一工作使得聲學隱身斗篷的實際應(yīng)用又更近了一步,并對相關(guān)的新型聲學器件有一定的啟發(fā)作用。最后在第六章中,我們總結(jié)了本文所得出的一些主要結(jié)論,并給出對今后工作的展望。
【關(guān)鍵詞】：超常材料 聲子晶體 變換聲學 非衍射波 單向傳播 聲學斗篷
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O42;TB33
【目錄】：

• 摘要3-6
• Abstract6-13
• 第一章 緒論13-30
• 1.1 聲子晶體的研究現(xiàn)狀及進展13-18
• 1.2 聲學超常材料的研究現(xiàn)狀及進展18-24
• 1.3 結(jié)語24
• 參考文獻24-30
• 第二章 人工結(jié)構(gòu)中的聲傳播理論和相關(guān)方法30-56
• 2.1 相關(guān)理論30-45
• 2.1.1 聲波方程30-31
• 2.1.2 聲子晶體能帶理論31-36
• 2.1.3 等效參數(shù)理論36-39
• 2.1.4 變換聲學39-45
• 2.2 相關(guān)方法45-54
• 2.2.1 平面波展開法45-48
• 2.2.2 多重散射法48-52
• 2.2.3 有限元法52-54
• 2.3 結(jié)語54-55
• 參考文獻55-56
• 第三章 聲人工結(jié)構(gòu)中的非衍射聲波56-69
• 3.1 非衍射聲波以及相關(guān)理論56-59
• 3.2 二維聲子晶體及其能帶59-61
• 3.3 二維聲子晶體中的非傳播X波61-66
• 3.4 結(jié)語66
• 參考文獻66-69
• 第四章 聲人工結(jié)構(gòu)中的非對稱透射69-85
• 4.1 聲的單向傳輸69-72
• 4.2 非線性模型的計算以及轉(zhuǎn)換效率72-74
• 4.3 聲的單向倍頻器74-83
• 4.4 結(jié)語83
• 參考文獻83-85
• 第五章 寬帶聲學斗篷及散射消除85-106
• 5.1 聲隱身斗篷進展概述85-88
• 5.2 寬帶聲學幻象斗篷88-96
• 5.3 三維空間的寬帶聲學隱身斗篷96-104
• 5.4 結(jié)語104-105
• 參考文獻105-106
• 第六章 結(jié)束語與未來工作展望106-108
• 致謝108-109
• 研究生期間的工作成果109-111

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉啟能;;固-流結(jié)構(gòu)矩形聲子晶體中彈性波的傳輸特性[J];振動與沖擊;2010年12期

2 邱學云;黃亞偉;胡家光;施秀萍;;一維聲子晶體應(yīng)用探索[J];曲靖師范學院學報;2011年03期

3 李金鳳;鄧科;趙鶴平;;抗反射層結(jié)構(gòu)平板聲子晶體棱鏡成像[J];吉首大學學報(自然科學版);2011年02期

4 邱學云;;聲子晶體應(yīng)用基礎(chǔ)研究概述[J];文山學院學報;2011年03期

5 倪旭;張小柳;盧明輝;陳延峰;;聲子晶體和聲學超構(gòu)材料[J];物理;2012年10期

6 左曙光;孟姝;魏歡;何呂昌;馬琮淦;;聲子晶體特性研究及在車身板件中減振降噪的應(yīng)用[J];材料導報;2012年18期

7 徐永剛;段艷濤;安斕;林錢蘭;朱海飛;林富錕;李永放;;一維非周期性聲子晶體中聲波動力學特性[J];陜西師范大學學報(自然科學版);2013年03期

8 朱宇光;方云團;閔立清;胡維禮;;一維固-液聲子晶體表面消逝波傳播模式[J];人工晶體學報;2013年05期

9 陸延青;;離子型聲子晶體[J];科學;1999年05期

10 侯麗娜;侯志林;傅秀軍;;局域共振型聲子晶體中的缺陷態(tài)研究[J];物理學報;2014年03期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王健君;;通過組裝膠體顆粒實現(xiàn)特超聲子晶體[A];中國化學會第27屆學術(shù)年會第04分會場摘要集[C];2010年

2 陳久久;秦波;程建春;;二維表面波聲子晶體的研究[A];中國聲學學會2005年青年學術(shù)會議[CYCA'05]論文集[C];2005年

3 許震宇;沈琦;龔益玲;;一維聲子晶體的數(shù)值和實驗研究[A];中國力學學會學術(shù)大會'2005論文摘要集（下）[C];2005年

4 劉曉峰;汪越勝;;夾層聲子晶體板的缺陷態(tài)研究[A];中國力學大會——2013論文摘要集[C];2013年

5 吳英家;方慶川;凡友華;;新型聲學材料——聲子晶體的低頻高效隔聲性能研究[A];中國環(huán)境科學學會2009年學術(shù)年會論文集（第二卷）[C];2009年

6 徐偉;汪越勝;;二維聲子晶體的等效非局部連續(xù)介質(zhì)模型[A];慶祝中國力學學會成立50周年暨中國力學學會學術(shù)大會’2007論文摘要集（下）[C];2007年

7 劉耀宗;孟浩;李黎;溫激鴻;;基于遺傳算法的聲子晶體梁振動傳輸特性優(yōu)化設(shè)計[A];第九屆全國振動理論及應(yīng)用學術(shù)會議論文集[C];2007年

8 祝雪豐;闞威威;程建春;;采用超晶格平面波展開和諧頻響應(yīng)法對硅基蘭姆波聲子晶體的研究[A];中國聲學學會2009年青年學術(shù)會議[CYCA’09]論文集[C];2009年

9 周小微;程建春;;二維聲子晶體中低頻彈性波傳播的有效速度[A];中國聲學學會2009年青年學術(shù)會議[CYCA’09]論文集[C];2009年

10 汪越勝;;聲子晶體波傳播特性的參數(shù)表征及計算方法[A];中國力學學會學術(shù)大會'2009論文摘要集[C];2009年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 記者 張建列 通訊員 馮春;利用聲波實現(xiàn)“隔空探物”[N];廣東科技報;2014年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 鄧科;聲子晶體及聲超常材料的特性調(diào)控與功能設(shè)計[D];武漢大學;2010年

2 闞威威;聲人工結(jié)構(gòu)對聲波的調(diào)控研究[D];南京大學;2015年

3 肖偉;聲子晶體型周期復合結(jié)構(gòu)禁帶特性研究[D];華中科技大學;2007年

4 顧永偉;局域共振聲子晶體的優(yōu)化設(shè)計與模擬[D];上海交通大學;2009年

5 蔡力;聲子晶體彈性波傳播特性研究[D];國防科學技術(shù)大學;2008年

6 趙寰宇;二維阿基米德格子聲子晶體特性研究[D];北京工業(yè)大學;2011年

7 李鳳蓮;計算二維聲子晶體帶隙及響應(yīng)譜的邊界積分方程法研究[D];北京交通大學;2011年

8 劉軍;高Q聲子晶體聲波傳感機理及實驗研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2013年

9 付志強;一維/準一維變截面聲子晶體的研究及在功率超聲中的應(yīng)用[D];陜西師范大學;2013年

10 魏瑞菊;基于對稱性的二維聲子晶體帶隙特性研究[D];北京工業(yè)大學;2011年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王海洋;二維組合聲子晶體薄板振動性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2008年

2 沈耀輝;二維三組元局域共振型聲子晶體穩(wěn)態(tài)響應(yīng)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2010年

3 邱春印;二維聲子晶體的層間多重散射理論及聲子晶體相關(guān)的應(yīng)用設(shè)計[D];武漢大學;2005年

4 馮昆;二維三組元聲子晶體低頻穩(wěn)態(tài)響應(yīng)探究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2011年

5 王連坤;用于聲子晶體檢測的光外差測量技術(shù)研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2010年

6 武維維;一維聲子晶體透射譜的理論研究[D];華中科技大學;2011年

7 徐永剛;周期與非周期性一維聲子晶體能帶特性研究[D];陜西師范大學;2013年

8 胡愛珍;聲子晶體缺陷態(tài)的溫度控制及蘭姆波禁帶的低頻調(diào)節(jié)[D];廣東工業(yè)大學;2015年

9 曹惠嫻;幾個二維聲子晶體中的類狄拉克點色散關(guān)系研究[D];華南理工大學;2015年

10 潘旭東;周期桿中高頻縱波的頻帶分析[D];蘭州大學;2015年

，

本文編號：759628