盘绕型声学超构材料的近零折射率特性研究

近零折射率材料是一类等效质量密度和等效体模量的倒数同时趋于零或者其中之一趋于零的声学超构材料,在近零折射率声学超构材料中声波会表现出声速无穷大、高效声传输等特性,这些特性为声波调控带来了一些独特的应用.以圆形盘绕型结构为基本单元,该基本单元通过对空间的卷曲和盘绕,大大增加了声波在单元中的传播路径.通过对单个圆形盘绕型基本单元的等效参数进行计算,得到基本单元近零折射率特性所对应的频率点,以具有此近零折射率特性的结构为基本单元来构造声学超构材料.通过利用超构材料对刚性散射体进行不同方式的包裹以实现声隐身效应.此外,利用该基本单元对不同形状的弯曲波导管进行填充实现了声波隧穿效应.     

基于声学超晶格铌酸锂的新型体声波器件

设计了一种集成的声学器件。它的基本结构是由下列3部分组成的，即换能器部分、声学开关部分和声传播介质部分，但其材料均来源于铌酸锂晶体。其中换能器与声开关部分是由声学超晶格铌酸锂构成的，而声的传播介质则是单畴铌酸锂。着重研究了声开关部分所外加的直流偏压对在该器件中传播的声波的影响。结果显示：声开关部分对声波的反射率受到这一外加偏压大小的影响，外加偏压越大，则反射率越强；声子带隙也受到外加偏压的影响，外加偏压越大，则声子带隙将会增宽。同时我们还发现了声开关的反射谱分布决定于铌酸锂超晶格的周期大小，且超晶格周期数的减小也会增宽声子带隙。该器件在设计上有两大优点：一是实现了声学开关器件的集成化，二是充分利用了声学超晶格铌酸锂最大的机电耦合系数。     

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.     

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.     

基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜

声学超材料,是一种用于操纵声波的人工声学结构,具有诸多自然界所不具备的超常物理性质.不同于早期的局域共振声学单元结构,基于希尔伯特分形曲线提出了一种具有低损耗、高折射率的分形声学超材料,给出了分形结构声学单元的进化过程,并运用等效媒质理论,提取了具有亚波长的分形超材料单元的相对折射率、相对阻抗、等效密度及等效模量等材料参数.由于分形结构具有的自相似性和空间折叠特性,所提出的分形超材料具有宽带工作频率响应,为众多应用场合比如声超分辨率成像及声隧穿效应器件提供了候选材料.为检验分形声学超材料特性,应用分形声学超材料设计了梯度折射率分布的声聚焦透镜,并由固体方块阵列仿真对比、实验测量、以及点声源入射等三种手段验证了分形声学超材料参数特性及其聚焦透镜在2~5kHz宽频带内良好的聚焦能力.     

声学超表面的研究与应用进展

声学超表面是通过合理的设计规则以获得控制声波传播的新型人工结构,为声波的调控和处理提供了新的途径.阐述了声学超表面的相位调制机理,重点论述了包括空间卷绕型、Helmholtz谐振型、薄膜结构型以及其他类型超表面的不同概念和设计原理,并讨论了它们在异常反射/折射、聚焦、自弯曲等方面的相关研究及应用进展.最后,分别从超表面...     

声学黑洞轻质超结构的低频宽带高效隔声机理及实验研究

针对低频声波在传播过程中穿透力强、难衰减这一问题,研究了一种新型声学黑洞超结构,结合了声学黑洞和声学超结构的优点,通过改变曲面形状实现了低频宽带高效隔声。在一块10 mm厚薄板上,以阵列形式嵌入多个声学黑洞单元,完成声学黑洞既轻且薄的超结构设计。将设计好的声学黑洞超结构用3D打印技术制作出来,通过驻波管实验对声学黑洞超结构隔声特性进行验证。分析实验数据得到,声学黑洞超结构在50～1 600 Hz的频带上平均隔声量可以达到将近30 dB,并且在100～600 Hz频段内平均隔声量高达40 dB。研究了当声学黑洞单元几何形状幂函数的幂指数发生变化时,声学黑洞超结构隔声量的变化。因为设计好的声学黑洞超结构对加工工艺要求较高,在实际的工程应用中并不方便,所以最后还设计了一款方便实际工程应用的声学黑洞超结构,进行了实验验证,并分析了参数变化时对此结构隔声量的影响。研究的声学黑洞轻质超结构在航天航空、汽车、舰船等需要小尺寸结构实现低频大宽带降噪情况下有潜在的应用前景。     

三角阵列超材料的声传播特性

为了使声波产生不同于传统天然声学材料的反常传输特性,采用COMSOL有限元方法模拟了声波在局域共振型声子晶体中的传播特性,给出了二维三组元局域共振型声子晶体的振动机制,并以原胞为基础构建了三角形阵列的声学超材料模型,探究声波与该模型内原胞间的局域共振特性。仿真结果表明,从三角阵列模型底边入射的平面点状及线状激励声源在受到模型的调控后都会重新在顶角处汇聚成焦点;通过入射由三角阵列构成的矩形模型能实现点源的低损耗搬移效果;将两至三个相同的三角阵列组合成平行四边形和梯形模型后会产生平面声波的变向传输。模拟结果显示,此种以原胞为基础的三角形声学超材料阵列模型,在共振频率下会产生反常声学现象,并且随着模型构造的改变,其共振特性也会随之变化,产生不同的反常声学现象。研究结果可为声隐身、声探测及声波低损耗定向传输等研究提供新思路。     

声道中气动声学问题的光滑粒子动力学模拟

在人体发音过程仿真中,考虑声道边界的动态变化以及气流的流动,可以更加准确、真实地模拟声波在声道中的传播。在处理带有移动边界的气动声学问题时,相比传统声道声学研究中广泛应用的网格方法,无网格方法可以避免网格重构、网格畸变等。基于Euler体系下的气动声学波动方程,推导了Lagrange体系下声波传播的控制方程,并建立了无网格光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法的数值离散格式。通过对比静止流体中声传播问题的SPH解和时域有限差分(finite difference time domain,FDTD)解,验证了SPH方法在声学计算中的准确性和可靠性。对于一维和二维流动流体中的声传播问题,通过与基于Doppler效应的理论解对比,阐明了利用SPH方法求解复杂气动声学问题的可行性。     

声学多孔材料的孔结构优化

介绍了一种基于微结构的声学模型,可用来对多孔材料的微组织结构进行优化,从而使多孔材料具备最佳的声学性能.该模型是一种适用于低雷诺数的非稳态线性声学模型,主要微结构考虑平行排列的柱形杆件或圆球列阵,包括3个子模型:①声波传播方向平行于圆柱形杆件的子模型;②声波传播方向垂直于圆柱形杆件的子模型;③声波在圆球列阵中传播和吸收的子模型.前2个子模型通过考虑多边形周期边界条件的影响,计及了相邻圆柱形杆件间的交互作用.由于模型是线性的,因此可以结合起来描述任意角度入射声波的传播特性.第3个子模型可用于描述胞状多孔材料中节点处的情形.文中利用这3个子模型来扩大吸声材料的设计空间,根据不同用途所要求的声学特性计算最优的胞元结构,并对这种模型的应用领域进行了分析讨论.     

二维声学超材料透镜的设计与实验

基于等效媒质理论提出了一种由新型声学超材料设计的渐变折射率透镜.根据电磁学与声学基本参数存在的类比关系,参照电磁人工材料设计中提取单元结构的等效电导率和等效磁导率的方法,分别提取单元结构的等效弹性模量和等效质量密度,并进一步求得其等效相对阻抗和等效折射率,对设计的透镜进行有限元数值仿真在宽频范围内得到了与实验一致的偏折角度.该透镜由光敏树脂3D打印制成,与传统透镜相比,它具有尺寸小、设计简单、精度高,重量轻等特点.仿真结果和测试结果吻合较好,进一步验证了声电类比设计方法的可行性,为设计宽频带新型声学参数人工材料提供了一种新途径.     

硅酸镓镧晶体的旋光及声学性质研究

研究了新型压电材料硅酸镓镧的旋光性质和声学性质．实验得出硅酸镓镧的旋光率p比石英小;旋光率色散满足渡尔兹曼方程,并由克里斯托夫方程推导出声光沿硅酸镓镧晶体x,y,z轴的传播特性以及声波沿着yz,xy,xz3个面的慢度(倒速度)曲线方程,并绘制了3个主晶面内声的慢度分布曲线图,以便于LGS纯切变波、准纵波和准切变波波速的计算。     

变截面消声管道耦合Helmholtz腔结构的声学性能

基于局域共振理论与管道消声理论,设计了一种变截面消声管道耦合Helmholtz谐振腔的声学超材料结构,并运用COMSOL软件进行仿真研究.在此基础上,探讨了变截面声学超材料结构的几何参数对吸声系数峰值的影响,运用声学试验测试了该声学超材料结构的声学性能.结果表明：该变截面声学超材料结构在低频范围(200～600 Hz)内可实现良好的吸声效果;通过改变管道小孔的截面半径,可以实现声学超材料结构固有频率的定向调节;与普通Helmholtz腔相比,该声学超材料结构的吸声系数峰可在一定低频范围内移动,提高了结构在低频范围内的吸声效果,拓宽了吸声系数峰值对应频率的范围;声学超材料结构的几何参数得到了优化,具有良好的吸声效果.     

压力下Si/Ge超晶格热电材料的声子谱和群速度

利用面心立方模型和晶格动力学理论计算了Si/Ge超晶格材料的纵向(z)和横向(x)声学声子谱,用半解析的方法计算了声学声子传播的群速度.计算结果表明,纵向声子谱有简并的现象,横向声子谱没有简并,在布里渊区的中心和边界,纵向和横向声子的群速度几乎减小为零.引入流体静力学压力并修正应变存在时的力常数,研究了应变对超晶格材料声子谱和群速度的影响,结果表明,静压使声学声子的频率系统性上升,使声学声子的群速度明显增大.     

奇数口联接器与实现三口联接器的电路

本文提出了具有一个非能口的奇数口(n>1)联接器端口方程的一般公式.通过它们的互相联接将得到偶数口,多非能口或无非能口的多口联接器.它们与其它元件的组合得到一些元件:奇次方与偶次方的非线性单口电阻元件,理想二极管,理想双极结型晶体三极管,理想场效应管,理想线性双口受控源等.最后提出了实现具有一个非能口的三口联接器的电路.     

基于多条耦合器声表面波器件的小波重构

提出了一种基于多条耦合器声表面波器件实现小波重构的新方案．利用基于多条耦合器声表面波器件的传递函数等于输入与输出加权换能器传递函数之积的关系，对输入、输出叉指换能器分别进行小波和重构小波加权，在单块器件上实现了小波重构功能，避免了二次插入损耗的产生．利用多条耦合器和双声路对称结构，将沿晶体表面传播的体声波进行了分离和消除，抑制了三次渡越信号，降低了接收损耗，使器件的响应特性得到了改善．实验结果表明，用新方案实现的小波重构器件比用早期方案实现的小波重构器件在插入损耗、体声波抑制、通带波纹和接收损耗方面均有明显的改善．     

海洋气候声学测温计划

温室效应引起的地球变暖是威胁人类生存的全球性环境问题。海洋在缓解全球气候变暖的过程中起着十分重要的作用,因此,测定海洋变暖趋势受到世界的关注。大范围海洋声学测温是基于声波能在大洋中远距离传播以及海水中声速是温度灵敏函数的原理,通过测量远距离脉冲声信号的传播时间可以推算海洋温度的时、空变化。SCOR已成立了声学监测大洋的96工作组,决定在全球大洋设网进行常年观测,名为海洋气候声学测温(ATOC)计划。本文着重介绍该计划及我国参加该计划的意义。     

压电和声波理论及器件技术

正2015年全国压电和声波理论及器件技术研讨会(2015 Symposium on Piezoelectricity,Acoustic Waves,and Device Applications,SPAWDA2015)于2015年10月30日~11月2日在山东济南召开。会议由中国力学学会(CSTAM)、中国声学学会(ASC)和IEEE超声、铁电体与频率控制学会(UFFCs)主办,山东大学晶体材料国家重点实验室和物理学院联合承办。会议议题包括:压电和铁电材料(陶瓷、晶体、薄膜和微纳米等)、压电理论(包括微纳米压电理论)、声波理论(表面波和声体波等)、压电器件设计与分析(谐振器、传感器、换能器、MEMS/NEMS等压电器件)、超声学、压电器件的加工与制造技术(包括     

多态反共振协同型薄膜声学超材料低频隔声性能

针对普通声学材料无法有效衰减车内低频噪声的问题,提出一种摆臂式轻质薄膜型声学超材料结构设计形式,通过在子单胞内引入多态反共振模式实现了低频隔声频带的拓宽及隔声量的提高。该超材料以柔性乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)材料作为框架,并将4个金属薄片和1个十字形EVA摆臂贴附在0.2 mm厚的聚酰亚胺(PI)薄膜表面构造成谐振部分。通过对超单胞的声传递损失(STL)、多态反共振模式和负等效参数的分析,揭示了STL带宽的拓宽机理;基于超单胞结构衍生设计了大尺寸的柔性隔声超材料,并将大尺寸超材料样件装配到汽车发动机机罩内进行实车降噪测试,通过"混响室-消声室"隔声实验和实车降噪测试进一步预估了超材料对低频噪声的衰减能力。研究结果表明:子单胞间的多态反共振协同模式能调制超单胞处于连续的动态平衡状态,促使低频入射与反射声波相互抵消,从而改善了隔声带宽和隔声量;所设计的超材料可使车内1 kHz以下的发动机噪声平均衰减达3 dB(A),为低频宽带隔声材料的设计提供了一种新的思路,在控制低频噪声方面具有潜在的工程化应用前景。     

声超常材料:负参数声学材料的实现

声超常材料是质量密度和模量可以为负的新型人工材料,其实现在概念上推动了声理论的发展,同时也为研究各种新奇性质提供了可能,从而在应用上为设计各种新型波功能器件提供了基础.对声超常材料的研究成为当前国际上的一个研究热点.对声超常材料的研究进展评述,同时对局部共振机制实现负参数的基本原理进行阐述.