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基于广义Snell定律的声超表面折射

电子器件 2021年第2期44卷 498-501页

作者：楚琦琦胡宇林玮南京航空航天大学应用物理系江苏南京211100

在许多情况下,通过对声波波阵面的自由操控,可实现声波的偏折、弯曲或聚焦。而近年来出现的超材料为操控波阵面提供了一种新的途径。在声超表面研究背景及研究现状的启发下,基于广义Snell定律,利用一种声超表面结构模型,通过对入射声波... 详细信息

在许多情况下,通过对声波波阵面的自由操控,可实现声波的偏折、弯曲或聚焦。而近年来出现的超材料为操控波阵面提供了一种新的途径。在声超表面研究背景及研究现状的启发下,基于广义Snell定律,利用一种声超表面结构模型,通过对入射声波在声超表面的相位调制,产生了声波的异常折射,从而实现对偏折波方向的有效调控。

关键词：超材料声超表面广义Snell定律相位调制异常折射

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连续可调的源错觉声超表面结构的设计与实现

连续可调的源错觉声超表面结构的设计与实现

2018年全国固体力学学术会议

作者：王新萌陈阿丽北京交通大学土木建筑工程学院力学系

传统超表面一旦制成,其微结构单胞形式就不能再改变,其操作频率和所适用的超表面性能是固定的。为了打破这种限制并拓展超表面的应用范围,科研工作者们把越来越多的精力集中在了可调超表面的设计上。本文利用螺旋型结构单元设计了一种... 详细信息

传统超表面一旦制成,其微结构单胞形式就不能再改变,其操作频率和所适用的超表面性能是固定的。为了打破这种限制并拓展超表面的应用范围,科研工作者们把越来越多的精力集中在了可调超表面的设计上。本文利用螺旋型结构单元设计了一种环形的连续可调声超表面结构,实现了超表面上每一个单元处透射相位的连续调控。所采用的超表面是将3D打印的螺旋结构旋拧进圆环的预留孔中而形成的。通过螺旋结构的旋拧深度来调控声通道的长度,从而达到控制等效声折射率和透射相位的目的。值得注意的是,这种调节机理可以使单元的透射相位连续变化,在不改变结构的同时实现了超表面的宽频可调控。本文利用设计的螺旋型可调声超表面来实现声波的源错觉效果,超表面结构如图1所示,通过改变螺旋结构的旋拧深度,给点波源附加额外的角动量,从而实现了声波的螺旋化错觉效果。利用惠更斯-菲涅尔理论和商用有限元计算软件COMSOL Multiphysics,对其进行了数值模拟,结果如图2所示。该方法在先进信号调制、无损检测、医学超声检查等具有潜在的应用价值。

关键词：声超表面源错觉反常折射广义Snell定理

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基于压电声超表面的声源定位与异常透射研究

基于压电声超表面的声源定位与异常透射研究

作者：顾锦程南京航空航天大学

学位级别：硕士

超材料是指在利用已有材料的基础上,能够根据自身的意志逆向设计微结构来得到新型的人工材料。声学超表面便是其中之一,它是亚波长厚度的二维材料,可以提供局部的异常声吸收、相位突变或幅度调节,对入射声波进行波前调控或信息采集。但... 详细信息

超材料是指在利用已有材料的基础上,能够根据自身的意志逆向设计微结构来得到新型的人工材料。声学超表面便是其中之一,它是亚波长厚度的二维材料,可以提供局部的异常声吸收、相位突变或幅度调节,对入射声波进行波前调控或信息采集。但是单纯的声学信号难以直接处理与操控,与此同时,压电换能器可以方便地将声电信号互相转换,声学压电换能器更是得到了广泛的应用,可以将声波的模拟信号转换为电信号后进行处理。本文将声学超表面结构和压电复合板相结合,提出了一种新型的压电声学超表面。本文首先利用了压电声学超表面系统结构的时不变特性,以压电片两端的输出电压来反映超表面入口处的声压,进而进行声场定向或点声源定位,并通过有限元仿真测定了其分别在远场和近场条件下的效果、带宽和有效范围,研究了其与超表面单元个数、密度和频率等因素的关系,为声源定位领域的集成化和规模化提供了新的思考方向。另外利用了上述结构的串接,一端用于声压信号转换为电路信号以接收声波,另一端则将电路信号转化为声压信号发出声波,通过控制其中的电路结构(电容电感电阻和串并联),可以方便地调控输出声压的振幅和相位。利用这种特性模拟仿真实现了声异常透射和声聚焦等现象,并在此基础上分析了误差存在的离散化原因,进而提出了两种改进方法。从而证明了其可以在同一结构上实时调整电路参数和结构来改变结构性能,做到了即时操控和结构复用。

关键词：声超表面压电换能器异常透射声超材料声源定位

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基于声超表面的超薄施罗德散射体

基于声超表面的超薄施罗德散射体

中国声学学会2017年全国声学学术会议

作者：朱一凡范旭东梁彬程建春景云南京大学物理系声学所北卡罗来纳州立大学

0引言1施罗德散射体是40年提出的,一种可以优化声漫反射的人工结构,广泛应用于建筑声学,噪声控制等领域。传统的施罗德散射体厚度约为半波长,这为阻碍了低频声的应用。本文中,我们基于声超表面的概念,实现了超薄的施罗德散射体。他的厚... 详细信息

0引言1施罗德散射体是40年提出的,一种可以优化声漫反射的人工结构,广泛应用于建筑声学,噪声控制等领域。传统的施罗德散射体厚度约为半波长,这为阻碍了低频声的应用。本文中,我们基于声超表面的概念,实现了超薄的施罗德散射体。他的厚度仅为中心波长的1/20,远小于传统施罗德散射体的厚度。数值和实验结果证明了在一定带宽内可产生漫反射效果。

关键词：施罗德散射体声超表面漫反射效果

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基于超表面的声波调控研究

基于超表面的声波调控研究

作者：景双飞南京航空航天大学

学位级别：硕士

声学超表面(AMSs)是一种具有亚波长厚度的人工表面,和传统材料的调控机制不同,它实质是通过独特的单元设计改变相位的分布,从而实现对声波的高效调控。本论文采用理论计算和数值仿真相结合的方法,设计了几种新型声超表面,并验证了其对... 详细信息

声学超表面(AMSs)是一种具有亚波长厚度的人工表面,和传统材料的调控机制不同,它实质是通过独特的单元设计改变相位的分布,从而实现对声波的高效调控。本论文采用理论计算和数值仿真相结合的方法,设计了几种新型声超表面,并验证了其对声波的调控及其应用。本文主要研究工作如下:(1)基于费马原理,给出了二维和三维情况下广义斯涅尔定律的推导过程。广义斯涅尔定律是本论文研究透射和反射超表面声波调控的理论基础。(2)提出了一种基于膜-HR(亥姆霍兹谐振器)的新型的梯度透射声学超表面,其单元由四个横向串联排布的膜-HR谐振器和一个具有可调宽度的直管混合组成。首先通过遗传算法优化四个亥姆霍兹谐振器的宽度,实现全相位离散分布,并且获得匹配的阻抗以达到超高的透射率。然后利用仿真软件对该超表面进行一系列波阵面处理。(3)提出了一种基于双亥姆霍兹谐振器结构的新型梯度透射声学超表面。首先对三种不同结构类型的双亥姆霍兹谐振器的谐振性能展开了分析和讨论。然后基于上述研究设计了一种新型的梯度声学超表面来用于宽带波前处理。其单元由四个横向串联排布的双亥姆霍兹谐振器和一个可调直管组成。最后利用仿真软件模拟了超表面发生异常折射的情况,验证了该梯度声学超表面具有良好的声波调控作用。(4)设计了两种基于凹槽结构的声学超表面隐身斗篷。这种声学隐形斗篷背后的核心思想是通过局部相位调制进行相位补偿。对超表面斗篷对目标物体的隐身效应进行了数值计算和仿真模拟,验证了该声学斗篷具备良好的隐身性能。

关键词：声超材料声超表面声波调控广义斯涅尔定律亥姆霍兹谐振器异常折射声超表面斗篷

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人工螺旋结构低频吸声特性研究

人工螺旋结构低频吸声特性研究

作者：解书欢华中科技大学

学位级别：硕士

驻波管中,由入射波声场与经负载端反射后反射波声场叠加后的总声场,可获得管中任意位置处总声压和总速度,以及管中总声压最大值与最小值之比。实验中,可通过测量驻波比,计算出声负载吸声系数。任何负载的吸收系数均可由其声阻抗表示。... 详细信息

驻波管中,由入射波声场与经负载端反射后反射波声场叠加后的总声场,可获得管中任意位置处总声压和总速度,以及管中总声压最大值与最小值之比。实验中,可通过测量驻波比,计算出声负载吸声系数。任何负载的吸收系数均可由其声阻抗表示。当结构表面阻抗与空气阻抗匹配时,满足声完美吸收条件。由于管中存在空气粘滞效应,粒子速度在管壁附近存在速度梯度。考虑粘滞作用,管壁处速度可设为0 m/s,管中心区域粒子速度较大。具有速度梯度的边界层内存在粘滞损耗。当人工结构发生局域共振时,声能量主要通过粘滞和热损耗衰减。本文讨论的吸声结构均基于共振吸收原理。第二章分析了声学基本元器件亥姆霍兹共鸣器的共振条件。通过分析管内空气柱运动,得到声阻抗表达式。当人工结构表面阻抗与空气阻抗匹配时,通过零结构表面抗可得共鸣器共振频率,通过与空气匹配的声阻可得到最大吸声系数。所设计的亥姆霍兹共鸣器可在78 Hz处实现低频完美吸声。本文提出了一种三维螺旋人工结构,其阻抗特性与直矩形截面管阻抗特性相同。三维螺旋卷曲方式,极大地提高了空间利用率,为超薄低频声吸收人工结构提供一种新的方案。本文中,三维螺旋结构厚度为52 mm,可以完美吸收207 Hz低频声波。基于声超构表面共振吸收原理,提出一种新颖可调谐多波段完美声吸收器件。该器件具有嵌套式螺旋结构和深亚波长厚度(声波波长)。通过旋转嵌套在螺旋结构上的开孔盖,可任意调整声吸收体内谐振腔体有效长度,从而灵活调节声吸收峰频率,且调节过程中结构表面声阻抗与空气阻抗保持匹配。在不同开孔盖旋转角度下,粒子速度场模拟结果表明,粒子速度场极大值主要位于管口处,因此吸声主要发生在开孔处。实验测量结果与理论分析和仿真结果吻合,证实所设计的超薄声学器件具有广谱、可调谐吸声性能。

关键词：声超表面声完美吸收共振吸声

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基于新型声学人工结构的声波调控研究

基于新型声学人工结构的声波调控研究

作者：夏建平江苏大学

学位级别：硕士

声学人工材料由于其在消声降噪,全息声学,粒子操控及国防军事等领域具有重要的应用,已成为声学领域的研究热点。设计具有特殊结构的声学人工材料可以实现各种新奇的声学效应,如:负折射、自弯曲束、螺旋束、无衍射束、漫反射及声聚焦等... 详细信息

声学人工材料由于其在消声降噪,全息声学,粒子操控及国防军事等领域具有重要的应用,已成为声学领域的研究热点。设计具有特殊结构的声学人工材料可以实现各种新奇的声学效应,如:负折射、自弯曲束、螺旋束、无衍射束、漫反射及声聚焦等。与传统声学材料相比,声学人工结构具有小尺寸,调控灵活及智能化等优点,具有广泛的应用前景。本论文基于声学人工结构设计实现了多种新型声学器件。除第一章绪论和第八章总结和展望之外,主要工作分为六个部分:(1)声学人工结构的相关理论与方法;(2)基于多端口圆环波导的宽频带声逻辑门;(3)基于声超纤维簇的声波调控;(4)基于弯曲波导的多频带多机制声单向传输器件;(5)基于双层超表面的声单向聚焦器件;(6)可编程声拓扑绝缘体。在第二章中,介绍声学人工结构的相关研究理论与方法,如:广义Snell定律、基于传递矩阵的等效参数反演及声子晶体能带理论,为研究基于声学人工结构的声超表面、声纤维簇、声逻辑门和声拓扑绝缘体提供相应的理论基础。在第三章中,提出并实现了基于多端口圆环波导结构的宽频带声逻辑门。基于声线性干涉机制,通过调控多端口圆环波导中两个输入信号之间的相位差与传播路径,在3.64-8.92kHz范围,基于同一阈值分别实现了或、非、与、异或及同或逻辑门。此外,通过连接基本逻辑门分别实现或非和与非复合逻辑门,并详细讨论了基于四端口圆环波导的复杂逻辑运算C+A×B。与其它声逻辑器件相比,所提出的声逻辑器件具有宽频带、同一阈值、结构简单易连接等优点,为新型声通信和逻辑运算器件提供理论方案与设计思路。在第四章中,提出一种多功能宽频带声超纤维簇。基于声超纤维单元结构的本征模式,声纤维簇的工作带宽与中心频率之比可达到0.25。改变超纤维单元的几何参数,可以实现覆盖2π范围的相位延迟,基于不同相位分布的声纤维簇可以分别实现单负声折射、双负声折射及声聚焦等多种新奇声学效应。此外,基于声超纤维簇结构简单与灵活易弯折等特性,实现了聚焦焦点位置调控及声隐身斗篷。声超纤维簇在声通讯与国防军事等领域具有重要的应用价值。在第五章中,设计实现一种浸没在水中含内置声子晶体的弯曲波导结构多频带多机制声单向传输器件。在500 kHz以下,器件存在三个不同的声单向传输频带,分别由声子晶体带隙、声子晶体的聋哑模式及声子晶体与波导结构相互作用三种不同的机制引起。此外,旋转声子晶体的单元方柱可以实现声单向传输频带的调控。所提出的声单向传输器件具有多频带,多机制及可调控等特性,在医学超声领域具有广泛的应用前景。在第六章中,基于双层声超表面设计实现了声单向聚焦透镜。当声波从左侧入射,经双层超表面在透镜右侧聚焦,焦点分辨率仅为0.4倍波长;而当声波从右侧入射,转换为表面波限制在右侧超表面,无法到达透镜左侧。与传统声聚焦透镜相比,声单向聚焦透镜可明显降低反射声能量。该效应是由双层超表面的非对称相位调控引起,与传统单层超表面透镜不同,两层超表面的相位延迟分布相互关联,可以实现更加丰富的声传播调控。此外,改变双层超表面的间距,可以实现聚焦焦点位置的调控。实验测量与数值模拟结果吻合很好。声单向聚焦透镜具有亚波长聚焦,平面结构及可调控等优点,在聚焦超声治疗与医学超声成像领域具有重要的应用价值。在第七章中,提出并实现了可编程声学拓扑绝缘体。可编程声学拓扑绝缘体由两种数字单元“0”或“1”组成,分别对应于具有不同直径的圆柱组成的蜂窝型声子晶体。基于不同数字单元分界面的赝自旋相关边缘模式,改变拓扑绝缘体的编码序列,可实现声传播的自动控制。此外,基于单片机控制的气缸对声子晶体单元进行操控,可以实现不同的数字编码“0”或“1”,实验实现了可编程拓扑绝缘体,在此基础上,基于可编程的声拓扑绝缘体分别设计实现声单刀双投掷开关及逻辑功能可反转的声逻辑门。可编程拓扑绝缘体的可重构与可编程特性极大促进了智能声学领域在各个领域中的应用,如:集成声学,声加密通信和声信息处理等。

关键词：声学人工结构声超表面声拓扑绝缘体声波调控声单向传输声聚焦声单向聚焦声逻辑门