非厄米拓扑声学中新奇物态的研究进展

声波作为信息和能量的载体,在国民经济发展和国家安全建设中有着重要的作用.近些年来,声学与其他学科进行深度交叉,产生了许多新兴的研究热点.其中,非厄米拓扑声学的研究是一个快速发展的前沿领域,得到了科研人员的广泛关注.非厄米拓扑声学利用声学结构探索和发现非厄米拓扑物理的内涵,一方面,可以利用宏观经典平台较为便利地构建和表征新奇的物态;另一方面,可以加深认识并丰富声波调控的手段,以期反哺声学器件设计.本文综述了近期该领域取得的研究进展,重点介绍了非厄米性调制的声拓扑态、非厄米性单独引起的声拓扑态和声学非厄米趋肤效应三个方面的工作.最后,我们对非厄米拓扑声学研究面临的挑战作了简单讨论,并展望了未来可能的研究方向.     

三维声学超材料的高阶拓扑态

位于"边缘的边缘"上的高阶拓扑态的发现为限制和控制光波、声波以及弹性波的传输提供了一种新思路.目前,高阶拓扑态已在二维的机械、电磁、光学、声学和弹性系统中得以实现.然而,三维声学系统中对高阶拓扑态的研究却鲜有报道.本研究针对这一现象提出了一种具有一阶表面态和二阶铰链态的三维声学超材料.该三维声学超材料可以在其布里渊区的K-H方向上形成二重简并的交线.改变超材料单胞内外耦合强度的相对大小,线性简并交线打开形成完全带隙,生成平庸型和拓扑非平庸型声学超材料.能带结构、特征频率及传输效率的分析结果表明,当内耦合强度小于外耦合强度时,带隙范围内声学超材料具有拓扑非平庸的一阶表面态和二阶铰链态;当内耦合强度大于外耦合强度时,带隙范围内声波将无法在声学超材料的任何部位传播,该声学超材料是平庸的.三维声学超材料高阶拓扑态的实现突破了二维系统的局限,在声波能量回收和高精度声传感器方面具有潜在应用前景.     

声学超材料的机遇和挑战

正对声波的自由操控是声学基础研究的核心问题之一,也是声学成像、治疗、探测、通信及对抗等应用领域的关键技术,与国家重大需求密切相关,例如高精度声学成像、精准超声治疗及高容量声学通信等重要问题的解决都需要以对声波实现精确及高效的操控为基础.尽管声波已在诸多重要领域得到广泛的应用,但传统声学方法通常使用天然声学材料来实现不同的声波操控     

面向声学操控和声学反演的拓扑声学与多相孔隙介质声学

<正>拓扑声学属于声学和凝聚态物理学研究中的新兴研究领域,是研究声波在特殊拓扑结构中传播的学问.它是基于物质拓扑态的概念,在凝聚态物理学中发展起来的,后来扩展到包括声学和光子学等其他学科.人们可以利用某些声学介质的拓扑性质,设计声超常材料以实现声学操控.可以说,拓扑声学是声学与拓扑学交叉融合的结果,是近代声学前沿研究热点之一.多相孔隙介质声学是研究声波与由多种物质组成的孔隙介质相互作用和应用的学问.     

基于PT对称的声波超前/延迟线

低损耗、长带宽、时间可控的声波延迟线在音频、射频、声表面波信号处理等领域具有非常广泛的应用,然而设计满足上述三点特性的声延迟线是一项极具挑战性的工作.近年来,量子力学中的宇称时间(parity-time, PT)对称概念被引入到声学系统中,其散射矩阵在特殊点处的实数本征值揭示了声波在此类系统中可实现宽带的无损传输,且传输相位可调.本文设计了一种由一对PT对称的导纳超表面及夹在中间的等效声学介质组成的声学系统,通过设置导纳超表面参数调节其工作机制,从而实现了两类互补的特殊点.其中防反射层模式下的特殊点导致了一种声波延迟线的形成,而相干完美吸收-激“声”模式下的特殊点则用于设计一种罕见的声波超前线.由于此声学损耗-增益超表面在自然界中是不存在的,本文利用可主动控制的电热声碳纳米管薄膜来模拟它.仿真结果表明,PT对称系统是实现低损耗、长带宽且时间可控的声波超前/延迟线的优良载体,其应用可扩展至包括光学、力学、弹性波等诸多波动领域.     

含非完好界面的非线性弹性波超材料中SH波的非互易传输

研究了含非完好界面的非线性弹性波超材料中的非互易传输现象.通过结构的非对称性和材料的非线性打破了经典弹性波系统中的互易性原理.入射的反平面剪切(shear horizontal, SH)波与材料的非线性效应相互作用产生二次谐波.根据Bloch定理,利用刚度矩阵法得到了基频波和二次谐波的带隙和透射系数.通过与完好界面情况下的结果对比,讨论了界面特性对层状周期结构中SH波的带隙和非互易传输的影响.本研究有助于设计具有非互易传输性能的弹性波超材料器件.     

无磁光学非互易研究进展

光学非互易器件,例如光隔离器、循环器和移相器等,是全光通信的基本单元,在光学信号处理和量子网络等方面具有重要应用。传统的实现光学非互易的方法是利用法拉第磁光效应,但所需要的强磁场会导致小型化和集成化的困难。因此,部分研究者将目光投向无磁光学非互易的研究。文章介绍了无磁光学非互易的研究现状以及华东理工大学激光物理与量子调控研究室在该方面的一些最新研究工作。     

深海声学研究进展

水声基础研究的目的 是揭示声波在复杂海洋环境下的传播现象及物理机理,这是水声高科技装备研发与应用的基础.从深海声学规律认识及声呐应用需求出发,首先综述国外深海声学理论与实验研究进展,并简单回顾了我国水声学基础研究发展历程.过去,我国在浅海声学研究方面成果显著.1997和2012年,在第一届及第三届国际浅海声学会议上,有...     

一种新的浅海远程混响声场建模方法

由于海面、海底界面的随机起伏特性,声波照射到该界面上将发生散射而形成界面混响.在浅海环境中,海底混响通常起到支配性的作用.浅海低频远程海底混响也一直是浅海声学研究中的一个经典命题.哈尔滨工程大学水声工程学院的科研小组以声传播的视角建立了     

水声超材料研究进展

水声材料的应用是潜艇等水下航行器实现声隐身及提升声探测性能的关键所在.近年来,随着声学超材料的蓬勃发展,各种类型的水声超材料也被提出.相比空气声,水中声波波长更长,传播损耗却小得多,故水声比同频率空气声更难以控制;此外,水介质的密度和声阻抗比空气介质大得多,常规金属不能再被视为刚性而变成弹性体,且水对结构的流体负载不能忽略,故水声超材料的设计和性能预测更为复杂.本文综述了近年来水声超材料的发展历程,主要针对吸收型、去耦型、聚焦型三类与潜艇声隐身和声探测密切相关的水声超材料,对其分类、基本特性、物理机理、研究动态等进行了详尽归纳和总结,并对其发展中面临的难题和趋势进行了探讨和展望.相比传统材料,水声超材料展现出众多超常声学特性,但仍存在低频宽带声波调控能力有限、不能有效兼顾大静压等环境要素、加工制造工艺不足等问题.未来研究中应着力克服上述不足,朝着低频宽带、全向、大平面尺度、亚波长厚度、轻量化、大耐压及多功能复合、环境适应性等方向发展,以更好地实现工程化应用.     

Kekulé调制声子晶体中的赝表面狄拉克涡旋拓扑态

近年来,拓扑学的概念被引入到声学系统,声学超材料以及声子晶体中的拓扑效应被广泛研究.其中,声学拓扑边界传输模式具有低损耗、背向散射抑制的特性和良好的鲁棒性,在声信号探测、噪声控制等方面拥有较大的应用潜力.近期,高度局域在狄拉克涡旋处的零维拓扑束缚态在多种物理系统中被发现,成为相关领域的研究热点.但是现有研究中的声学结构大多受限于二维空间,自由空间中亚波长尺度的狄拉克涡旋拓扑态亟待探索.本文基于声赝表面波实现了自由空间中的类马约拉纳束缚态,即通过在硬质基板上排布蜂窝晶格阵列的空气圆柱孔,并在系统中施加一个与格点位置相关的Kekulé调制,产生了局域在结构表面和涡旋中心的声学拓扑束缚态;证明了这种拓扑束缚态的频率固定在狄拉克频率处,且不受Kekulé调制幅度的影响.此外,进一步分别引入粒子空穴对称性保护和破缺的缺陷,验证了这种特殊的拓扑束缚态在粒子空穴对称性保护时对缺陷具有较好的鲁棒性.本研究在基于声能局域和捕获的新型声学功能器件的设计方面具有潜在的应用前景.     

气悬微粒声凝聚效率与声场参数的关系

用声学方法凝聚和沉降气悬微粒时,合适地选择声波频率和声场强度等参数以提高声凝聚效率十分重要。早在本世纪三十年代,Brandt等人曾得到计算声凝聚过程最佳声波频率的近似公式:     

地震超材料:从自然结构到新型人工结构

光子晶体、声子晶体和声学超材料在调控波和波衰减等领域产生了深远影响.它们并不是自然界中新发现的材料,而是根据不同需求设计的复合结构,通常利用布拉格散射或局域共振机理来达到调控声波/弹性波能带结构的目的.与光子晶体不同,声子晶体和声学超材料的工作区域在较低频区域,因此获得低频且大范围的禁带是该领域的研究重点,并逐渐拓展到频率低、波长长的地震波隔震减灾防控上.本文从纳米光子和地震超材料的联系出发,从固体物理的视角分析了地震超材料的城市群、自然森林超材料等,将新型人工地震超材料在分布区域、禁带机制、实验方式3个方面进行了分类比较,并展望了现阶段地震超材料研究的一些局限性以及面临的挑战.     

高频振动标准绝对校准的压电互易法

振动标准传感器的灵敏度,是在某一频率,沿一确定轴向,电输出量与机械输入量之比。因此,校准中出现的困难不在于电输出量,而在于机械输入量的测量。在高频段实现互易校准,更为困难,一直引起许多研究者的浓厚兴趣。本文提出利用压电效应的互易性,使用压电振动台,采用三质量法进行互易校准,并在2.5 kHz—11kHz的频带内,对现有的压电振动台做了校准,具体对4.3 kHz这一频率点作出误差分析和统计分析,其灵敏度校准误差为±1％。     

三厘米波段谐振吸收式隔离器

铁凎氧磁物已越来越广泛地运用在微波领域中,它在外加磁场的作用下呈现非互易的性能,能制成各种非互易的微波元件,隔离器是其中最有用的一种。隔离是指电磁波在波导中正方向传输衰减很小,反方向传输则衰减很大。隔离作用可以用不同的方法获得,可以利用铁磁共振现象对微波信号非互易的吸     

浅谈岩石超声波测试技术

岩石超声波检测技术是近年发展起来的一项新技术,它通过检测声波信号在岩体岩石内传播过程中的波速、波幅、波形及频谱等声学参数的变化,间接地了解岩石介质的物理力学特性.具有简便快捷、能进行大范围测试以及对被测介质无损伤等特点,文章针对超声波测试原理及测试方法进行了分析.     

南京大学物理系的声学方面工作

南京大学物理系从1954年起即曾进行了一些声学方面的工作。1955年开始了“用球壳法求音频声波在气体中的吸收”和“用驻波法测国产吸声材料的吸声系数”等几项研究工作。声学教研组是1956年2月成立的,同时并成立了声学专门化。利用暑期的生产实习,进行了“汉语清晰度测验”和“汉语混响性质”的初步工作,并替上海电影制片厂和上海科学教育电影制片厂的各个录音棚进     

离子声孤波在非均匀等离子体中的演化方程

弱色散等离子体中非线性离子声波由Korteweg de Vriles(Kdv)方程控制,它们解是一系列孤波。等离子体不均匀,离子声孤波由变系数Kdv方程描述。强色散均匀介质非线性离子声波包由非线性Schr(?)dinger方程控制,它的解也是稳定的波色孤立子。Mohan和Buti研究了非均匀介质情况,得到了修正的非线性Schr(?)dinger方程。本文考虑了热离子效应,在背景非均匀态更接近实际情况下,应用同样方法处理了非线性离子声波。     

声振动对秀丽隐杆线虫转向行为的影响

秀丽隐杆线虫是一种典型的模式生物,且其神经系统对光、电、热梯度以及化学药物等有反应.本文报道了声振动对线虫转向行为影响的研究.建立了一套实时的声波作用线虫的电脑成像系统,实现拍摄并统计分析指定区域内多条线虫的行为;基于粒子追踪与形状分析算法,量化线虫行为;利用OFV-5000模块化激光测振系统测量培养基在声波作用下的振动;通过改变声波的位移振幅及频率等参数探讨声振动对线虫转向行为的影响.定义声感系数来衡量线虫转向行为受声振动影响的大小.实验结果表明:秀丽隐杆线虫可以感受到声振动,并且对声振动具有一定的适应性;相对于野生型线虫N2,机械力感觉神经元存在缺陷的突变体线虫mec-4,mec-7对声振动的响应减弱,表明机械力感觉神经元参与了对声波的感应;对于同一频率的声波,位移振幅的增加刺激了线虫的转向行为;但在固定位移振幅下,随着频率的升高,线虫的转向行为呈现先增强后减弱的趋势.本文的工作为进一步探究声波对线虫神经系统的作用并用于治疗神经系统疾病奠定了理论及实验基础.     

开口式行波热声发生器

考虑入射波和反射波, 建立行波热声系统内管末端阻抗与管口阻抗的理论模型, 详细对比管 末端封闭和开口对压力、体积流率、阻抗和声功的影响, 指出开口式行波系统的声场特点. 在此基 础上, 研制了一台开口式低频行波热声发生器, 它由环形圈、开口式谐振管、回热器和冷热端换热 器等元件组成. 以1 bar 空气为工质, 运行频率74 Hz, 在输入热量210 W 时, 管口处声压级达到 133.4 dB, 距离管口0.5 m处声压级为101 dB, 性能已达到低频声源可应用的范围. 随着研究的深入, 出口处声压级可达到150 dB, 有望解决现有低频声波发生器声压低、装置复杂、声学性能重复性差 等问题, 可以为低频远距离噪声实验或者工业声源和振动提供高声强声源.