声子晶体和声学超构材料

声子晶体和声学超构材料进一步拓展了自然界中声学材料的弹性波性质．这种人工的复合结构材料,由于其周期结构的布拉格散射和局域共振特性,使得其具有奇异的色散特征,在某些频段具有负的有效弹性参数,带来了许多新颖的声学传播效应,例如声子带隙效应、负折射效应、超棱镜效应、超透镜效应、异常透射效应、异常隔声效应等．与此同时,在声子晶体和声学超构材料表面,一类具有亚波长特性的声表面倏逝波也引起了人们的关注,研究其激发、传播、耦合的过程对揭示声子晶体和声学超构材料的奇异声传播效应的物理本质具有重要意义．声子晶体和声学超构材料作为一类新型的人工声学结构材料,在隔声、防振、热控制以及新型声学器件研发等方面具有巨大的应用前景．文章综述了近十几年来国际国内关于声子晶体和声学超构材料的研究进展,并对其未来的研究发展方向做一评述．     

声学超构材料及其物理效应的研究进展

声学超构材料作为一种新型的人工结构材料,拥有天然材料所不具备的超常物理特性,进一步拓展了材料的声学属性.同时,声学超构材料可以实现对声波精准的、可设计的操控,以及许多新颖奇特的物理现象,如声准直、声聚焦、声场隐身、声单向传输、声学超分辨成像等,具有重要的理论研究意义和应用价值.另外,拓扑材料的研究已延伸至声学领域,声学超构材料的拓扑性质成为近年的研究热点,受到人们的广泛关注.其鲁棒性边界态具有缺陷免疫、背散射抑制的特性,应用潜力巨大.本文综述了近十几年来声学超构材料的研究概况,介绍了相关的代表性工作,包括奇异等效声学参数的超构材料、声学超构表面、吸声超构材料、声学超分辨成像、宇称时间对称性声学和拓扑声学等,阐述了声学超构材料的设计理念和方法,并对其技术挑战和应用前景进行了讨论和总结.     

局域共振型声学超材料机理探讨

本文以二维固体薄板中的弹性波传播为例, 对基于共振子结构的声学超材料带隙机理进行了探讨, 证明在声学超材料中带隙形成既与共振子对波的散射相位有关, 也与波在共振体之间的几何传播相位有关. 通过调节散射相位和几何传播相位均能实现对色散关系的调控. 基于这一理解, 探究了弹性波超材料中的次波长缺陷态和负折射现象的实现条件.     

基于多腔型超构材料的声场增强效应

构造了一种多腔型基本单元,由该基本单元构成的声学超构材料能够实现声场增强效应.此功能的实现是由基本单元的声腔和系统结构之间的相互耦合作用产生的单极子Mie共振引起.本文通过对多个基本单元进行不同形式的排列组合构造了对称型超构材料和非对称型超构材料,这两类超构材料可用于实现不同效果的声场增强.研究表明,由于对称型超构材料结构的高度对称,其声场增强效应的实现不受入射声波方向的影响;而非对称型超构材料的声场增强效应具有较强的方向依赖性,声波从不同侧入射时,超构材料对声场的增强效果也不同.本文关于这两类超构材料的研究将在隔声、声传感器、声通信、非对称性声学器件方面具有潜在的应用前景.     

声学Mie共振及其应用

Mie共振是基于Mie散射理论的共振散射现象,起源于单极、偶极、四极、八极和更高的多极振子所引起的辐射叠加。近年来,人工产生的声学Mie共振得到了越来越多的关注。由于声学Mie共振具有多种共振模式,基于Mie共振的声学超构材料体现出许多独特的声学特性,有望被应用到低频声波强反射、负折射、彩虹俘获、指向性声辐射、超常声波透射等众多领域当中。     

一种基于开口空心球的声学超材料

提出了一种基于局域共振的开口空心球(spilt hollow spheres,SHS)模型,数值计算和声学透射实验结果表明基于该模型的声学超材料可以实现负的弹性模量.为了说明SHS的局域共振性质,研究了微结构SHS几何尺寸(例如开口孔径d和空心球直径D)变化时材料的透射性质,结果表明SHS的几何尺寸的改变对声学超材料的透射吸收峰频率有显著影响.另外,还研究了SHS不同排列方式对透射行为的影响,发现单层样品中SHS单元数目以及晶格常数的变化不会引起谐振频率的变化,但是随着SHS单元数目或者样品 关键词： 开口空心球(SHS) 声学超材料 吸收峰 等效弹性模量     

声学超构表面

声学超构表面是当前声学领域的研究热点,其是一种由人工微单元构成的超薄平面结构,由于其具备平面、超薄等独特物理特性及对声波的灵活调控能力,使得其在降噪隔振、隐身技术、非接触操控物体等诸多声学领域具有重要的应用前景。文章以反射型、吸收型、透射型声学超构表面为框架,深入介绍超构表面高效调控声波的物理机制并举例展示了其构建复杂声场的能力,包括任意点反射聚焦、低频完美吸声、自弯曲声束、螺旋声波以及声能量非对称传输。     

基于石墨烯编码超构材料的太赫兹波束多功能动态调控

提出了一种基于石墨烯带的太赫兹波段的1 bit编码超构材料,可以实现太赫兹波束的数目、频率、幅度等参数多功能动态调控.该结构由金属薄膜、聚酰亚胺、硅、二氧化硅、石墨烯带组成.通过对石墨烯带施加两种不同的电压,可以实现一定频率范围内相位差接近180?的"0"和"1"数字编码单元,进而构成1 bit动态可控的编码超构材料.全波仿真结果表明,不同序列的编码超构材料能够实现波束数目从单波束、双波束、多波束到宽波束的调控.相同序列的编码超构材料,通过施加石墨烯带的不同电压能够实现宽频段波束频率的偏移.对于000000或者111111周期序列的编码超构材料,通过施加石墨烯带的不同电压还能够实现波束幅度的调控.因此这种基于石墨烯带的编码超构材料为灵活调控太赫兹波提供了一种新的途径,将在雷达隐身、成像、宽带通信等方面具有重要的意义.     

基于薄膜编码超表面的宽频超薄声散射体

该文提出了一种基于薄膜编码超表面的宽频超薄声散射体。利用附加质量块的薄膜和空气腔组成的薄膜结构构建了反射声波相位差接近180°的两种共振单元。将两种共振单元按照一定的顺序进行排列,可以组成深亚波长尺寸下的声学超表面。所构建的声学超表面可以产生宽频有效的散射声场。通过有限元仿真软件对多个频率的近场散射声场分布、远场声指向性和扩散系数进行了仿真计算,仿真结果显示,该散射体可以高效地散射入射声波,并且散射效果在一定的频率范围内是宽频有效的。     

局域共振型声学超材料薄板带隙特性的能量解法

研究局域共振型声学超材料的带隙特性时,面临的首要问题是寻求一种带隙特性的高效解法。为此,本文以局域共振型声学超材料薄板为研究对象,提出了一种基于能量泛函变分原理及正交多项式级数展开的带隙计算方法。该方法通过合并基体板及共振子的动、势能及外力功建立元胞的能量泛函,经过变分运算得到元胞的振动控制方程,进而引入第一类Chebyshev正交多项式作为基函数将控制方程进行离散。为克服无法直接对离散控制方程中的广义坐标施加周期边界条件的困难,该方法将连续边界条件弱化到若干选定的配点上以离散方式实现,并将对应的一组线性约束条件通过拉格朗日乘子法施加到系统中。仿真结果表明,该方法具有较高的计算精度和效率,并可应用于"局域共振子-夹层板"等复合结构的带隙特性研究。本文方法为局域共振型薄壁超材料的带隙求解提供了新的思路,丰富了声学超材料的振-声学理论,并为薄壁超材料的工程设计和优化提供了技术支撑。      

Effective permittivity and permeability of one-dimensional dielectric photonic crystal within a band gap

We take a finite dielectric photonic crystal as a homogeneous slab and have extracted the effective parameters. Our systematic study shows that the effective permittivity or permeability of dielectric photonic crystal is negative within a band gap region. This means that the band gap might act as ε-negative materials （ENMs） with ε 〈 0 and μ 〉 0, or μ-negative materials （MNMs） with ε 〉 0 and μ 〈 0. Moreover the effective parameters sensitively rely on size, surface termination, symmetry, etc. The effective parameters can be used to design full transmission tunnelling modes and amplify evanescent wave. Several cases are studied and the results show that dielectric photonic band gap can indeed mimic a single negative material （ENM or MNM） under some restrictions.     

基于高介电常数基板和金属结构负折射材料的设计,仿真与验证

通过将单回路镜像对称开口金属环结构印制在高介电常数基板上,实现了一种金属含量比传统负折射材料更少,"双负"通带比全介质负折射材料更宽的负折射材料.分析了高介电常数基板产生负介电常数以及"双负"通带形成的机理,通过仿真实验分析了影响"双负"通带的因素.通过制作样品验证了这一机理实现"双负"的可行性,理论分析与实验结果都表明这种方法可实现较宽频段内的"双负"通带. 关键词： 负折射材料 负介电常数 负磁导率 介质谐振器原理     

电磁超材料中负磁导率对负介电常数的影响

为深入了解电磁超材料中物质间相互作用关系,理论分析了金属导体线阵列宏结构嵌入单负磁导率媒质中时其等效介电常数的变化特性。数值计算和电磁仿真方法相结合,讨论了单负磁导率媒质和单负介电常数媒质的相互作用关系,提出了减小其相互作用的解决方法。仿真结果显示:将金属线阵列直接嵌入到单负磁导率媒质中时,电磁超材料传输特性在整个频段内为传输禁带;将金属线裹附一层绝缘材料后,传输禁带变为传输通带,这表明金属线阵列和单负磁导率媒质之间必须加入一种绝缘材料才能合成双负的电磁超材料。     

线性负电阻构成的新型LC振荡演示器

提出了利用负电阻电路作线性临界补偿构成的LC振荡电路形式,该电路用于电磁振荡演示具有起振容易,输出波形标准,演示直观等优点。     

THz频段单面左手材料的设计及仿真研究

本文运用等效参数提取方法验证了双线螺旋结构在不同频率处不仅能够实现负的磁导率, 而且可以实现负的介电常数. 在电磁波平行和垂直入射到双线螺旋结构表面两种情况下, 发现其负介电常数的形成机理相同. 以往的单面左手材料的研究仅仅局限于微波波段, 通过改进双线螺旋结构, 在THz频段设计出一种新型单面左手材料, 同时利用LC等效电路解释了其设计原理. 一般的左手材料是由刻蚀在基板两侧的电谐振器和磁谐振器组合而成的复合结构, 与这些复合结构相比, 这种新型单面左手材料具有低损耗, 结构简单, 易于加工等优点.     

一种扩展方形环异向介质结构的设计

为拓宽异向介质结构的带宽和维数,在方形环结构的基础上,提出了一种异向介质的交叉网状结构的设计,并对其介电常数和磁导率的频率特性进行了计算机仿真。研究结果表明,该结构在特定的频段内表现出了明显的负折射特性,与传统的裂环谐振器相比,新结构的结构对称、具有更宽的响应带宽和三维各向异性等特点。     

Statistical mechanics of two-dimensional vortices

Equilibrium statistics of a cluster of a large number of positive two-dimensional point vortices in an infinite region and the associated thermodynamic functions, exhibiting negative temperatures, are evaluated analytically and numerically from a microcanonical ensemble. Extensive numerical simulations of vortex motion are performed to verify the predicted equilibrium configurations. An application of Kubo's linear response theory is used to study the nonequilibrium situation that results from placing a cluster, of vortices in a weak external velocity field, such as that produced by a distant vortex cluster. The weak field causes the cluster to grow in size as if there were an effective positive eddy viscosity. When a number of clusters interact, the effect is for each to grow while the distances between them decrease with time. The latter effect is an exhibit of negative viscosity. The application of this to the motion of the atmosphere is discussed.Supported in part by National Science Foundation Grant GK-40263.Advanced Study Program, National Center for Atmospheric Research (sponsored by the National Science Foundation).     

含单负介质层受阻全内反射结构的光子隧穿现象研究

利用稳定相位理论得到了光子穿越含单负介质层受阻全内反射结构的隧穿时间以及光子穿透光学势垒后产生的横向位移.分析结果表明，当势垒为单负介质时，光子隧穿可能表现出负的隧穿时间和负的横向位移.隧穿时间和横向位移存在Hartman效应，使得光子隧穿过程具有超光速性质.此外，基于TM波和TE波通过负介电常数介质和负磁导率介质势垒产生的横向位移的方向正好相反，得到了一种有效的区分两类单负介质的方法. 关键词： 光子隧穿 负折射 单负介质 超光速     

单负双负磁导率和电容率介质中的Goos-H(a)nchen位移

推导了Goos-H(a)nchen位移的表达式,讨论了光线从双正介质(电容率ε＞0,磁导率μ＞0)或双负介质(ε＜0,μ＜0)中入射到双正介质、双负介质或单负介质(ε＞0,μ＜0或ε＜0,μ＞0)界面的Goos-H(a)nchen效应.     

异向介质研究进展

介绍了异向介质的研究进展,其中包括基本理论的深化研究,介质新电磁特性的研究,一些新型结构的设计、仿真、实验、制作方法及其各自的优缺点,以及在波导、天线、微波器件等各个领域的应用.