基于声学超材料的无源声学循环器的设计

近年来,新型声学器件的发展迅速,比如声学二极管的提出,类比于传统的电学二极管,实现了对声波的整流和非互易(或非对称)的声传播.随后,声学晶体管也被理论上设计和提出.作为新型的声学概念型设备,声学器件呈现了从简单的二端口向三多口甚至多端口的发展趋势(比如声学二极管到晶体管).另一方面,声学超材料是近10年来的热门研究话题.利用声学超材料的亚波长共振效应,可以实现丰富的功能,包括声学斗篷,声学幻像,聚焦透镜,涡旋场和任意波束形成.将超材料单元引入一个旋转对称的多端口系统,实现了无源的复杂声学网络中的声学路径操控.证明了当超材料提供了打破左右对称的附加波矢后,声学系统中只允许向右(或向左)传播.因此实现了声波只能逆时针传播(或顺时针)的无源声学循环器.解析分析了每个超材料单元对声波的偏转角度来预测声传播路线.最后,进一步将三端口循环器拓展到更多端口的情况.     

二维圆柱超材料隐身罩的设计和测试

基于坐标变换实现隐身的设想,以方形开口谐振环(Split-Ring Resonators,SRRs)为微元主体,设计构造了二维圆柱形隐身超材料罩.利用CST Microwave Studio软件在8.75 GHz下对不同层超材料的结构单元的尺寸进行了优化设计,实现并加工制作了二维圆柱超材料隐身罩样品,通过自行设计的平面波导系统测试了其隐身效果.测试结果表明:利用所设计的超材料制作的隐身罩具有较好的隐身效果.该项研究具有一定的应用价值和实际可行性.     

含水合物沉积物二维声学特性实验研究

在研制含水合物沉积物二维声学模拟实验装置基础上,获取水合物形成分布及其二维声响应特征。实验结果表明,水合物饱和度小于15%时,随着水合物形成,各层位声速增长较快;水合物饱和度大于15%后,声速增长变慢。水合物形成初期,粗粒沉积物声速稍大于细粒沉积物;水合物形成末期,不同层位声速差异不大,水合物接近均匀分布。水合物形成过程的二维分布与声响应特征为:纵向上离气源较近层位优先形成水合物、声速较大,横向上反应釜周边优先生成水合物,沉积物两侧声速大于内部声速。实验获得含水合物沉积物纵横波速间的经验公式及纵横波波速比与水合物饱和度间的关系。     

声学超材料、水声以及仿生声学

正第12届理论与计算声学国际学术会议于2015年10月11~16日在杭州举行。该学术会议是由美国著名华裔声学家李定教授发起、旨在促进国际声学领域学术交流的纯学术性研讨会,为国际声学界影响最大、规格最高的国际会议之一。本届会议由浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室、浙江工业大学声学与振动联合实验室以及浙江省振动工程学会联合承办,并得到浙江省科协、浙江省自然科学基金委员会等单位的资助。本届大会主席是美国     

二维极性材料的理论设计

最近几年,实验上已经获得了稳定的本征二维铁磁、铁电材料。二维铁性材料由于其新奇的物理性质和在纳米器件中潜在的应用价值而广受关注。随着第一性原理计算方法的发展,从理论角度预测和设计新材料加速了对二维铁性材料的研究。文章重点介绍了课题组在二维极性材料的理论设计方面的若干工作,其中包括:1)在单层过渡金属卤化物中引入点缺陷破坏体系空间反演对称性,可以有效提高磁转变温度,实现磁电共存;2)设计了一种强磁电耦合且转变温度可达室温的二维第二类多铁材料;3)预测了由铁电模式和反铁电模式竞争导致的二维非共线本征亚铁电,研究了其新奇的Z2×Z2铁电畴壁和负压电性质。这些工作对之后的二维极性材料的理论设计和实验探索具有一定的参考价值。     

含透镜体多孔介质中溶质二维运移实验与模拟研究

为了研究透镜体对污染物运移的影响,文章设计了二维承压含水层物理模型,以惰性溶质亮蓝为例,开展了不同流速下多孔介质溶质运移实验和模拟研究。研究结果表明:透镜体加入模型后,污染物会优先从透镜体周围流过,出现绕流现象,透镜体对溶质运移具有明显的阻碍作用;采用解析解模型和IGW(Interactive Groundwater)模型对溶质运移穿透曲线进行拟合,都出现早到和拖尾等非费克现象,IGW模型拟合精度明显好于解析解模型,能较好地拟合溶质运移中的非费克现象;透镜体的存在相当于增加了介质的非均质性,因此含有透镜体时弥散系数D增大;当仅考虑流速变化时,D随着流速的增加而变大。     

二维层状材料

正二维层状材料国际学术会议(International Conference on Two-Dimensional Layered Materials)于2014年10月12~15日在浙江杭州举行,会议由浙江大学硅材料国家重点实验室主办。大会主席是北京大学刘忠范院士和中科院物理所高鸿钧院士,浙江大学硅材料国家重点实验室徐明生教授担任program主席。共有234位中方代表以及63位来自美国、英国、德国、意大利、瑞士、瑞典、荷兰、日本、韩国、新加波、俄罗斯、沙特的外方学者出席了会议。此次会议聚集了从事二维层状材料计算、制备、表征和     

可调谐的负等效质量密度声学超构材料实验研究

结构简单和宽频响应是负等效质量密度声学超构材料(Acoustic metamaterial,AM)的重要研究目标.本文基于局域共振理论设计了一种结构简单的空心管实验模型,利用声学传输线理论证明其谐振频率与空心管内径密切相关.实验测试的3种不同内径空心管AM的透射曲线分别在1 550 Hz,1 400 Hz和1 300 Hz处出现透射低谷并伴随相位扭折,表明空心管AM在对应的频率附近发生谐振,且符合随内径增大谐振频率降低的理论结果.利用提取参数法实现了3种AM分别在1 143～1 662 Hz,998～1 492 Hz和845～1 352 Hz时的负等效质量密度.通过模拟声场分布阐述了空心管AM负等效质量密度形成的物理机制.空心管结构的提出为设计结构简单、宽频响应负等效质量密度的AM提供了一种可行的模型.     

二维非极性晶体中的声学激子

本文研究二维非极性晶体中通过形变势与声学声子强耦合激子的性质,采用线性组合算了表拉格朗日乘子法,导出了强耦合情形下非极性晶体中表面激子的有效哈密顿量,得到符和面激子的重正化质量。     

二维高岭土材料的制备与性质

通过脲插入高岭土层间并分解成气体的方法，以剥离高岭土的层状结构，从而制得了二维高岭土材料。它的性质与未剥离的高岭土有很大的差别，比表面积增大五倍以上，结构水脱除温度低１５０～３００多度。经ＸＲＤ、ＤＴＡ、ＴＧ、ＩＲ测定和ＳＥＭ观察，证明了这样制得的二维高岭土接近于单分子层结构。     

二维超精密定位系统设计与仿真

在分析对比了两种典型柔性铰链机构运动特性的基础上,设计了一种无耦合位移、应力集中低的改进复合双平行四杆机构,并用该机构构成了微动系统。微动系统理论分析与有限元仿真的结果表明,该微动系统的设计达到要求。     

二维无机超分子层柱材料性能应用及进展

层状物质可分为两类：第一类是层结构由范德华力维持;第二类是层结构由库仑力维持。前者包括石墨、金属硫化物等;后者包括层状硅酸盐、金属双氢氧化物等。它们层间存在可交换的离子。具有多种功能特征：如择形催化作用、热稳定性、用做锂电池材料和超导材料等。     

二维圆形边界温度场声学测量的仿真研究

对二维圆形边界温度场声学测量方法进行深入研究,提出一种新的二维温度场区域划分方法,阐述了声学法二维圆形边界温度场重建思想.应用C + + 语言编制了最小二乘重建算法的程序,对单峰及双峰二维温度场进行了仿真,并对仿真结果进行分析.     

二维非极性晶体中声学激子的性质

本文研究了二维非极性晶体中通过形变势与声学声子强、弱耦合激子的性质,采用线性组合算符和简单的么正变换,得到了强、弱耦合情形的非极性晶体中表面激子的有效哈密顿量、激子的自陷能和电子—空穴通过形变势与声子作用诱生的作用势表示为电子(空穴)一声子耦合参量α_1(α_2)的降幂级数,其首项为α_1(α_2)的一次方。     

二维连续体结构的拓扑和材料一体化设计

通过基于Wolff法则的连续体拓扑优化方法所获得的连续体结构最优拓扑中的材料往往呈非均匀性.为了实现二维连续体结构的拓扑和材料的一体化设计,在获取结构的最优拓扑后,利用具有周期性微结构的二维网格结构比拟原正交各向异性非均匀连续体结构,使得两者在力学性能上等效,从而实现最优结构的材料设计.数值算例验证了比拟方法的正确性及材料设计的可行性.     

二维材料研究现状及展望

正二维材料是一大类材料的统称,指的是在一个维度上材料尺寸减小到极限的原子层厚度,而在其他两个维度,材料尺寸相对较大。最典型也是最早实验证明的二维材料是石墨烯。2004年,K. S. Novoselov等人在Science杂志发表文章,报道了通过机械剥离的方法从高取向的裂解石墨中获得了石墨烯,且证明了其独特优异的电学性质。自此之后,以石墨烯为代表的二维材料获得了快速的发展,新的二维材料如雨后春笋般涌现。得     

一种具有宽频效应的声学超构材料

通过周期性排布具有不同谐振频率的亥姆霍兹共振器,构建了一种宽频带负体弹模量的声学超构材料.首先基于局域共振理论和有效媒质理论,阐述了负有效体弹模量产生的机理并给出了理论表达式,然后利用有限元仿真得到了该超构材料的透反射系数,并用提取参数法计算了有效体弹模量.结果表明,设计的超构材料在673~1 245 Hz的宽频范围内实现了负有效体弹模量.这种设计思路为构建宽频带负声学参数超构材料提供了一种新途径.     

系统频率电磁调谐的双层薄膜声学超材料

为了拓宽声学超材料对低频声波的隔声带宽,设计了1种系统频率电磁调谐的双层薄膜声学超材料,该超材料由双层硅橡胶薄膜、薄膜之间的羰基铁粉、附加铅质质量块、铝质框架和电磁场加载装置等组成.运用COMSOL Multiphysics 5.5仿真和试验等方法,对声学超材料的声学性能进行了研究.研究结果表明:该声学超材料在低频范围内可实现良好的隔声效果;通过输入不同电流改变磁场强度,可以实现声学超材料固有频率的定向调节;与被动声学超材料相比,主动声学超材料实现了声学超材料隔声性能的非接触主动调谐,拓宽了声学超材料的声波控制带宽;在此基础上,通过进一步探讨材料参数对声学超材料声学性能的影响,发现双层薄膜的厚度越厚,杨氏模量越大,声学超材料将获得更宽的隔声带宽.     

密度为零的零折射率声学超材料研究

以普通波导管内部嵌入弹性薄膜为基本单元结构,构造了零折射率声学超材料.研究表明,在频率为fm=453.64Hz时能实现等效质量密度为零的零折射率超材料.在零折射率超材料两端接上截面积较大的普通波导管构造了复合零折射率超材料,利用声传输线理论和声阻抗匹配理论,分析了该复合超材料中能量传输和轴向声压分布情况.理论和仿真结果表明:尽管在零折射率超材料与普通波导管之间存在极大的几何不匹配,系统在输入声波频率为fm和Fabry-Pérot(FP)共振频率时能实现声波完全传输,且在频率fm处具有相位超耦合和传输增强等特性.除此之外,当改变复合超材料中零折射率超材料的长度D和弯曲角度θ时,发现其在频率为fm时所具有的特性不变,而FP共振频率的大小会随零折射率超材料长度的变化而改变.