發(fā)布時(shí)間：2020-08-14 21:36

【摘要】：在過(guò)去多10年里,聲學(xué)超材料的研究受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。聲學(xué)超材料是一種人工的復(fù)合材料,其單元尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng),即亞波長(zhǎng)尺寸。因此,聲超材料的屬性可以由等效媒質(zhì)理論來(lái)解釋,并具有很多自然材料所不具備的特殊性質(zhì),比如負(fù)質(zhì)量密度、負(fù)彈性模量、各向異性參數(shù)等。最近,出現(xiàn)了一種超薄的超材料,稱(chēng)為“超表面”。聲超表面基于聲相位的突變實(shí)現(xiàn)波陣面的自由調(diào)控,打破了對(duì)傳播效應(yīng)的依賴(lài),可以任意調(diào)控具有亞波長(zhǎng)分辨率的波陣面的形狀。例如,可以利用聲超表面實(shí)現(xiàn)異常折射/反射、平面聚焦、非衍射束、聲吸收及聲渦旋等。研究寬帶及輕薄的超表面器件不僅具有重要的科學(xué)意義,并有望在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生顯著價(jià)值�；谏鲜鲅芯勘尘�,本文研究了聲超表面對(duì)聲波的操控及其應(yīng)用。在第一章中,介紹了研究的背景和相關(guān)的理論,關(guān)于廣義斯奈爾定律的理論推導(dǎo)和聲超表面設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展。在第二章中,首先提出了無(wú)色散波陣面操控的概念,設(shè)計(jì)了能夠突破帶寬限制并任意操控聲波陣面的人工反射表面,證明了超寬帶的異常反射、聲聚焦和非衍射束,并基于相控陣?yán)碚撎岢隽艘粋�(gè)物理模型來(lái)解釋波束操控現(xiàn)象,為寬帶聲學(xué)器件的研制提供了新的思路。隨后,提出了可同時(shí)在基頻及倍頻處工作的多頻聲超表面的設(shè)計(jì)理論,打破了基于共振的傳統(tǒng)聲超表面只能在單一頻率下工作的限制,使得聲超表面適用于非線(xiàn)性聲源情況。在第三章中,首先設(shè)計(jì)和制備了一個(gè)能夠在寬帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)單向聲傳輸?shù)闹蓖ǖ?包含一個(gè)比波長(zhǎng)更寬的間隙,可用作流體或物體的通道。其后,提出了具有平直內(nèi)壁、完全開(kāi)放的單向聲學(xué)隧道的設(shè)計(jì)原理,并在實(shí)驗(yàn)上制備了器件。基于此,提出了在無(wú)源多端口體系中打破任何兩個(gè)相鄰端口之間聲傳輸對(duì)稱(chēng)性的機(jī)理,并可以任意調(diào)節(jié)端口數(shù)目和端口位置。最后,實(shí)驗(yàn)證明了角動(dòng)量偏置諧振腔中的非互易聲傳輸現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)了在低轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)角動(dòng)量偏置的新機(jī)制。以上四種非對(duì)稱(chēng)聲傳輸機(jī)制將有助于新型聲學(xué)單向器件的設(shè)計(jì)。在第四章中,證明了通過(guò)調(diào)控聲超材料中的損耗,可以同時(shí)和解耦地操控反射波的振幅和相位,實(shí)現(xiàn)聲波的精細(xì)操控。通過(guò)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的非衍射束、多焦點(diǎn)聲聚焦、高保真二維單平面聲全息和多平面三維聲全息,證明了提出的方法的重要性,其效果優(yōu)于傳統(tǒng)的純相位方法。該機(jī)制通過(guò)操控聲超表面中的損耗,打開(kāi)了新的聲波調(diào)控自由度,對(duì)新型聲學(xué)器件的制備有重要意義。在第五章中,基于聲超表面概念提出了超薄平面施羅德擴(kuò)散體,獲得了不亞于傳統(tǒng)商用器件的聲學(xué)漫反射性能,其厚度則比傳統(tǒng)施羅德擴(kuò)散體小一個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)設(shè)計(jì)混合結(jié)構(gòu),進(jìn)一步改善了超薄平面施羅德擴(kuò)散體的帶寬。該設(shè)計(jì)不僅提出了有望在建筑聲學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的聲學(xué)單元,也向聲超表面的實(shí)際應(yīng)用邁出了重要的一步。在第六章中,總結(jié)了主要的結(jié)論和未來(lái)工作的展望。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB33

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本文編號(hào)：2793574