声学超表面构型设计与特性研究

作     者：林梓彬 

作者单位：沈阳航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许卫锴

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：声学超表面 广义斯涅尔定律 弹性波调控 遗传算法 模块化质量振子超表面 

摘      要：声学超表面是科研人员在超材料亚波长结构的基础上,结合相控阵波场控制原理提出的新兴概念。将亚波长尺度的功能单元按照特定的方式周期排布,通过改变结构表面相位梯度的方式,使超表面获得传统人工周期材料所不具备的超常声学、力学性能,为声波和弹性波的调控提供了新的技术途径。作为一种新型人工结构,声学超表面具有尺寸小、损耗低、调控自由度大、易于加工装配等特点,因而在机械工程减振降噪、交通运输以及人类生活领域具有广泛的应用场景。在本文中,针对弹性波在超表面中传播时所产生的相位突变现象,利用有限元仿真计算及相关理论推导等方法,研究了凹槽型超表面和质量振子超表面的波场调制,主要内容包括以下几个方面:首先,基于凹槽结构弹性波超表面,提出通过改变涡旋公式中的角动量进而影响其涡旋场的方法,利用有限元软件COMSOLMultiphysics数值模拟了环形涡旋源装置中心存在A0模态兰姆波激励时,角动量分别取值2、3、4、5时涡旋场的分支情况。仿真结果显示,所设计的环形涡旋装置在超宽频域下（5kHz-58kHz）能够实现任意分支的涡旋调制,与理论值保持一致并且具有良好的鲁棒性。其次,基于遗传算法,使用Livelink实现COMSOL Multiphysics与数学分析软件MATLAB的联动,从拓扑优化的角度对凹槽型超表面的功能单元排列重新设计。通过对凹槽型超表面的凹槽位置信息进行混合变量编码,并提出了诸如异常折射、波束聚焦以及自加速波束的优化目标,实现了凹槽型超表面的拓扑优化设计。与未经优化的超表面对比,基于遗传算法优化的凹槽结构超表面与理论值更加吻合且具有更为优秀的波场调制效果,这种优化的角度为超表面的设计工作提供了新的思路。最后,基于弹性波超表面的可调能力,平衡其加工制备难度,提出了模块化质量振子超表面（MMEMs）,通过在结构上加装不同尺寸的质量振子,可以按照需求延迟相位,对入射弯曲波进行任意调制以实现弯曲波的波场操控,如异常折射、波束聚焦、自加速波束等。同时,提出了多重质量振子阵列设计（MMAD）以扩展现有质量振子超表面的工作频域,实现宽频域下（13kHz-41kHz）弯曲波的连续操控。