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声人工材料中非对称波传播特性

祝雪丰  
【摘要】:近年来,声人工材料相关研究引起了人们更多的关注。声人工材料通常为人工复合结构或复合材料,可分为:声子晶体和声超常材料。两者之间的区别在于,声子晶体中复合结构或复合材料的变化尺度与声波长可比拟,声超常材料中复合结构或复合材料的变化尺度远小于声波长,因此声子晶体和声超常材料在声学性质上存在各自特点。声波在声子晶体中的传播研究主要集中在对体波、表面波和兰姆波的传播和声禁带的研究。对于兰姆波型声子晶体,入射兰姆波受到嵌入体布拉格散射的影响便会位于声禁带而无法通过。兰姆波型声子晶体的这种隔声特性在设计高性能微结构声学滤波器和谐振腔方面有着极大的应用潜力。对于声超常材料,其相对于入射波可视为一块“等效媒质”。通过引入各种微结构材料单元,声超常材料则表现出许多新颖的物理性质,比如密度各向异性,单负声学参数(局域共振材料)和双负声学参数(左手材料)。其中,密度各向异性材料可用来实现任意声波导以及声隐身斗篷;局域共振材料可用于在小尺度上隔离“低频”声;左手材料则可用来实现倏逝波放大,声超透镜和神奇声学幻象。综上所述,对声人工材料中波传播奇异特性的研究具有基础性学术意义,对实际应用方面的价值不言而喻。本文对声人工材料中非对称声传播行为进行了系统而深入的理论研究。 第一章绪论部分回顾了现有关于声人工材料的理论与实验两方面的研究背景,分别介绍了声子晶体和声超常材料中声传播特性的研究内容和进展,简述了变换声学的发展概况。 第二章介绍了声波在声人工材料中传播的相关理论。着重介绍了兰姆波型声子晶体能带结构、透射谱和位移场的计算方法,以及声超常材料中左手材料、密度各向异性和变换声学的基础内容。 第三章研究了周期性兰姆波型声子晶体中拓扑结构对能带结构的影响。首先介绍了反对称板中存在的“能带钉扎”现象,即色散曲线成对地钉扎于Bloch边界处。进一步研究表明,钉扎效应可在反对称板中产生一种与众不同的类Rayleigh波模式,从而表现出更加丰富的物理内涵。最后,定性地讨论了“能带钉扎”导致的模式间强转换效应,并由此设计出第一块线性“单向导通”板。 第四章简要介绍了声隐身领域发展过程,并深入讨论了如何采用超透镜及普通透镜实现物体的“非双盲”声隐身。 最后在第五章中给出了本文研究的主要结论和对今后工作的展望。 本文工作的主要创新点在于: 1.提出了一种新的“声隐身斗篷”设计思路,仅需采用参数完全独立于被隐身物体的“单负”材料即可有效地实现对一个物体的声学隐身,显著降低了在实验上真正实现声学隐身的技术难度,并成功解决了当前设计理论中普遍存在的“双盲问题”,使得被隐身物体仍可无失真地洞察周围环境信息。 2.提出一种广义的普通透镜“非双盲”隐身方式,仅需双正材料,材料参数无奇异且各向异性密度为一常量。由于不存在谐振单元,即负材料参数,提供实验上实现宽频完全声隐身的可能性。 3.利用反对称板中“能带钉扎”导致的强模式转换效应设计出线性“单向导通”板。该单向导通模型在线性条件下实现了声流的单向导通,可用来实现声信息的逻辑和算术处理,且结构简单,便于集成,在转换效率上具有明显的优势。


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