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声人工结构实现声波单向导通

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【摘要】:最近这几年来,声整流效应与声学人工材料的相关研究受到了非常多的关注。受到电子二极管整流效应的启发,对其他形式波的整流效应的研究一直没有停止过。最近通过使用特殊设计的人工材料,继光波之后,对声波和热流的整流获得了巨大的突破。中国和新加坡的研究者第一次分别实现了声和热的单向流动。在声整流的研究中,声子晶体和非线性声学材料分别扮演了对声波频率的选择和转化的关键作用。不同于声超常材料,声子晶体为周期性排列的人工复合结构或复合材料,其禁带所对应有效作用波长与周期材料的晶格尺寸在同一数量级。而非线性声学材料中传播的声波将产生波形畸变、谐波滋生、逾量衰减、声饱和及声空化等现象。不过由于非线性材料的转换效率较低,实验上较难控制其参数,各国的研究者都致力于将声波的非对称传播在线性系统中实现。由于在线性系统中难以打破互易原理,因此在线性条件下实现声能量的单向流动具有很大的挑战性。本文对声子晶体与人工声学结构中的声整流效应进行了系统而深入的理论和研究。 第一章绪论部分回顾了目前在声整流、非对称声传播方面的研究历程和最新进展。并且详细介绍了声子晶体的理论与实验两方面的研究背景,介绍了声子晶体中声传播的研究内容和进展,并概述了本文研究工作的主要内容。 第二章介绍了周期性晶体的能带理论,介绍了几种常见的近似求解方法。另外也介绍了与本文密切相关的声波导管理论,包括声波在波导中传播的各种模式。 第三章介绍了声波在人工材料中传播的相关理论和计算方法,着重介绍了使用平面波展开法和有限元方法计算周期性声子晶体的能带结构。 第四章使用有限元方法研究了声波在声子晶体中的部分禁带结构,并利用部分禁带对入射声波的筛选作用,结合波导理论设计出第一个线性“单向导通”声波导管,实现了有界空间中声波的非对称传播。系统地研究了填充率、声子晶体尺寸、声波发射面积以及晶体结构的准周期性对单向波导管的透射谱及管中声能量分布情况的影响。 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.首次在有界空间的2D声波导管中引入声子晶体结构,并利用部分禁带对入射声波的筛选作用,结合波导理论设计出第一个线性“单向导通”声波导管,实现了有界空间中声波的非对称传播。并且根据不同的管道弯曲角度,都可以方便的设计出对应的单向导通结构。该部分开创性工作对于相关研究和应用领域具有基础性的指导意义。 2.首次制作了线性“单向导通”波导管的三维结构,运用此原型测量了单向声波导管的正反向透射谱,从实验上证实了原创结构的有效性。并讨论了可能对声波导管透射效率和截止能力产生影响的各种因素。 3.从理论和实验上证明了新的设计具有很高的正向透射效率和反向截止能力,并对各种参数如填充率、声子晶体尺寸、声波发射面积以及晶体结构的准周期性等对单向波导管的透射谱及管中声能量分布的影响进行了系统的研究。这种模型很大程度上改进了非线性单向声结构的正向透射效率,具有简单易用,转换高效和正负方向能流对比强等优势。


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