隐声衣结构设计和实验研究新进展

隐声衣是一项使物体隐藏于声场的新技术,与传统吸声方式相比,隐声衣消除回波时不会在目标背后留下声影区。隐声衣的物理实现是重点研究方向之一,利用具有特殊性质的材料或结构消除散射是获得隐声效果的主要途径。文章综述了隐声衣研究在结构设计和实验方面的几项新发展。包括基于超常材料的隐声衣、基于温度递度的隐声衣、应用反演设计方法的隐声衣、有源隐声衣等,主要介绍隐声衣机理和结构设计方面的新思想,以及新型人工材料和人工结构在隐声衣研究中的应用。     

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．     

局域共振的光子、声子功能材料

介绍一种利用局域共振的原理制造人工光、声子结构材料的方法，此种方法不同于通常建立在布拉格散射基础上的光、声子晶体能带材料，但又表现出与之相同的物理特征，局域共振光、声子模型的优点是样品制作相对简单；不依赖于结构的周期性；可制备出亚波长的能隙结构，为微波及长波声波能带结构的制造提供了一种十分简便而有效的方法。     

空气中一维声栅对微粒的声操控

本文对一维空气声栅表面微粒受到的声辐射力进行了详细的理论研究.首先采用有限元方法研究一维声栅的透射性质及表面声场分布,然后将有限元与动量张量积分结合研究处于一维声栅表面微粒受到的声辐射力特征.声栅共振透射增强是表面周期衍射波与狭缝Fabry-Perot共振耦合形成的,并且与声栅周期和厚度密切相关.研究发现,当共振波长与声栅周期相当时,微粒在其表面可受到指向声栅板面的声吸引力;当共振波长为声栅周期的二倍及以上,微粒可受到指向狭缝中的吸引力,且强度远小于第一种情况的吸引力.因此,在声栅处于共振波长与周期相当的共振模式时,可以在空气中利用声栅表面操控、吸引和排列微粒.     

零阶Bessel驻波场中任意粒子声辐射力和力矩的Born近似

声辐射力和声辐射力矩的计算是实现粒子精准操控的重要基础.基于经典声散射理论的偏波级数展开法较难直接用于复杂模型的研究,而纯数值的方法则不利于进行系统的参数化分析.基于Born近似的基本原理,推导了低频情况下零阶Bessel驻波场中心任意粒子的声辐射力和力矩表达式.在此基础上,以球形粒子、椭球形粒子和柱形粒子为例进行详细地计算,并考虑声参数的非均匀性对声辐射力和力矩的影响.仿真结果表明,在低频范围内Born近似具有很高的精度,随着频率的增加和粒子与流体的阻抗匹配变差,Born近似的精度逐渐下降.对于倾斜放置于零阶Bessel驻波场中的椭球形粒子和柱形粒子,非对称性会导致其受到声辐射力矩的作用.在粒子尺寸远小于波长的情况下,声辐射力特性与粒子的具体形状几乎无关,但声辐射力矩不然.最后,引入周围流体的黏滞效应并对声辐射力的表达式进行了修正.该研究预期可以为生物医学、材料科学等领域利用驻波场声镊子实现微小粒子的精准操控提供一定的理论指导.     

基于一维声栅共振场的大规模微粒并行排列的实验研究

声操控微粒技术可以非接触无损伤地控制声场中的物体运动,其在精密制造、材料工程、体外诊断等领域具有广阔的应用前景.传统声操控微粒技术一般采用自由声场,如利用单个换能器或阵列换能器产生的聚焦声场、行波场或驻波场等.然而,一般单个换能器产生的声场仅能操控单个微粒;而阵列换能器的驱动系统复杂,导致操控器件成本高昂且难以微型化;因此,亟需研究新的声场形态实现多样性微粒操控.本工作中,采用单个换能器产生的平面波激发一维声栅的共振声场,实验实现了大规模泡沫微球的周期排列操控.其操控机制是由于声栅狭缝中法布里-珀罗谐振声场与声栅表面周期衍射场共振耦合,在声栅表面形成周期分布的局域梯度声场,导致微粒在平行于声栅表面受到声捕获力,在垂直于声栅表面受到指向表面的声吸引力,实现了微粒周期排列在声栅表面上.该工作为利用超声在空气中大规模排列微粒提供了理论基础和技术支持.     

基于主动声学超材料的圆柱声隐身斗篷设计研究

基于多层复合材料结构的二维声隐身斗篷设计思想, 利用主动隔膜声学空腔有效密度可以任意控制这一特性, 设计了主动声学超材料下的无限长圆柱声隐身斗篷. 给出了主动隔膜声学空腔单元的声电元件类比模拟电路图和具体的有效密度控制方法. 进行了主动声学超材料声隐身斗篷的结构建模, 并对平面入射波入射下此圆柱隐身斗篷周围声压分布场进行仿真计算. 结果表明, 平面波在一定频率范围内可以毫无阻碍地透过圆柱斗篷, 似乎不存在这种障碍物, 达到声隐身效果. 同时, 计算了主动声材料斗篷下总散射截面随频率变化曲线, 研究了此斗篷隐身效果随频率的变化特性. 本文从主动控制角度探讨实验实现隐身斗篷的技术问题, 有望给声隐身斗篷实验设计提供一条新的技术途径.     

拓扑声子晶体

拓扑物态是当前凝聚态及材料物理领域的关注焦点.声子晶体是具有周期性结构的人工材料,其中的声子态或声波态也可具有拓扑性质.从声子晶体的背景知识出发,介绍了2类拓扑声子晶体的研究进展,即能谷声子晶体和外尔声子晶体,它们具有良好鲁棒性及超导传输特性的拓扑界/表面波,这种无障碍的传输特性具有广阔的应用前景.     

调节声束宽度的超透镜

美国宾夕法尼亚州立大学的学者提出一种超常材料制成的声透镜设计方案,可以通过调整折射率控制声束。这是一个类似于照相机镜头的装置,能够实现声波对焦,采用不同的人工结构模块,可以放大或缩小通过透镜的平面波束宽度。科学家希望这种透镜能在医疗超声成像、无损检测、表面波传感器等应用领域发挥作用。     

一种基于双波长的光声测温技术

光声测温是一种利用光声效应来进行温度监控的新方法,具有非侵入式、高灵敏度和探测深度较深等优点.但现有的单波长光声测温方法极易受到系统及测量环境干扰而导致测量精度降低.为了解决这一问题,本文提出了一种双波长光声温度测量方法.在光声测温理论的基础上,分析推导了双波长光声测温的基本原理,并进行了仿体及离体组织样品的双波长光声测温实验.实验结果显示,与传统单波长模式相比,双波长模式下的光声温度测量误差明显减小,测量精度平均提高35%以上.研究结果表明双波长光声测温方法能够有效提高光声温度测量的精度和稳定性,可作为一种更精准的光声温度监控方法应用于医疗手术等领域.     

多参量光声成像及其在生物医学领域的应用

光声成像兼具声学成像和光学成像两者的优点, 因而成为近十年来发展最迅速的生物医学成像技术之一. 本文介绍了光声成像的特点及其相对于广泛应用的光学成像技术和声学成像技术的优点; 其次, 解释了光声成像的成像原理, 在此基础上介绍了光声断层成像和光声显微镜这两种典型的光声成像方案, 并介绍了它们的技术特点; 然后, 介绍了光声成像对生物组织的生化特性、组织力学特性、血液流速分布、温度分布参数、微结构特性等多信息参量的提取能力, 及其在生物系统的结构成像、功能成像、代谢成像、分子成像、基因成像等多领域的应用; 最后, 展望了光声成像在生物医学领域的应用潜力并讨论了其局限性.     

声子气的黏度

声子是介电固体中导热过程的主要载体,研究声子的黏性对正确预测纳米材料中的非傅里叶导热等现象有着重要意义.本文从热质理论出发,基于涨落耗散理论导出了声子气黏度的表达式:ηh=hv/3πλα,其中ηh表示声子气的黏度,v_a为声子平均频率,λ为声子波长,α为材料热扩散系数。预测了单晶硅在300 K时的声子气黏度,其参考值为4.8×10~(-9)Pa·s。并且与基于声子水动力学模型和气体动理论模型的声子气黏度结果进行比较,发现本文模型的结果比声子水动力学模型的结果大2个量级,而比动理论模型小5个量级。     

声单向操控研究进展

电子二极管的发明标志着现代电子学的诞生, 在整个人类社会中引起了科技的深刻变革. 声波是一种具有非常悠久的研究历史的经典波, 却始终被认为仅具有对称的传播形式. 若能制造出可像电子二极管控制电流般实现声波单向导通的声学器件, 显然将对整个声学研究领域产生重大影响, 具有重要的科学意义及应用价值. 第一个基于非线性媒质与声子晶体的声二极管利用非线性突破声学互易原理的局限, 首次实现了将声能流限制在单一方向上的声整流效应. 针对非线性系统转换效率低下的固有缺陷, 在线性体系内围绕声单向传播这个重要科学问题开展了一系列理论和实验研究, 设计与制备了多种具有特殊结构和性能的线性声学单向结构, 在器件的效率、带宽及尺寸方面产生了突破. 在声二极管研究的基础上, 第一个可以像电子三极管操控电流般对声流进行操控与放大的声三极管理论模型也被提出. 本文介绍了声单向传播这一新兴且富有蓬勃生机的研究领域中的主要进展.     

水下多层均匀材料的声特性

本文研究水和空气中由不同厚度的两层弹性板及消声橡胶共同组成的分层介质在斜入射时的声特性,并采用数值方法求解多层结构声场的线性方程组。得到反射,透射系数,当板的厚度远小于波长时,采用弹性薄壳振动模型和弹性波模型进行计算,它们的结果基本相同,但是薄壳振动模型更便于计算和理论分析;对系统反射系数和透射系数的计算结果表明,系统增加消声橡胶层后,极大地改变后射系数和透射系数的频率响应;频率升高,反射系数减小     

单向声传播结构研究

受到电子二极管整流效应的启发,对单向声传播结构展开了一系列的理论与实验研究：将超晶格结构与非线性声学材料组合构成了可实现声整流效应的声二极管结构;通过将反对称弹性结构引入到复合结构板来产生Lamb波的不对称模式转化,设计了可实现Lamb波单向传播的线性声学结构;基于声子晶体的部分禁带特性,在有限尺度声学系统中设计并实现了单向声学波导结构;设计并实现了由纯板与声栅构成的声单向传播结构,具有小尺寸与高效率的特点,且声波出射角度可调;基于声学梯度材料设计了可在极宽频带内实现不对称声传播的声学结构。     

基于声透镜成像系统的光声层析成像

光声成像是采用“光激发-超声波成像”的新型成像技术，它是检测强散射介质内部光吸收分布的一种有效医学影像技术.用短脉冲激光照射强散射介质(如生物组织)，强散射介质由于光声效应产生超声信号，使用具有成像能力的声透镜把声压分布成像于像面上，然后利用具有空间分辨能力的阵列光声传感器，把同一像面上的光声信号强度记录下来，最后根据光声信号强度的空间分布进行图像重组.根据成像系统物像共轭原理，同一物平面的光声信号到达像面的时延相等，而不同物面的光声信号到达同一个探测器平面的时延各不相同，因此，利用BOXCAR的门控积分 关键词： 光声层析成像 声透镜 光声信号     

局域共振型声子晶体中的缺陷态研究

本文以二维固体局域共振声子晶体为例,对次波长区域缺陷态的实现机理及其特点进行了探讨.众所周知,工作于次波长区域的声子晶体可以用有效媒质理论来描述,其色散关系对其构成单元的排列结构并不敏感,因而使得共振型声子晶体的带结构难以被其构成单元的局域空间无序所打破.本文发现共振型声子晶体在其带隙附近的色散关系可由共振单元间的长程相互作用来理解.基于这一理解,对目前文献中提出的两种实现局域态的方法进行了研究,结果表明缺陷态的引入正是通过打破这种长程相互作用来实现的.另外,在此理解的基础上,通过引入非各向同性"缺陷"共振单元,实现了纵波与横波导波模式的分离.     

基于声透镜的三维光声成像技术

基于声透镜的光声成像系统中, 由样品的光声压分布等效样品的吸收分布, 进行光声像重建, 但之前的这种等效是一种近似, 理论上并不准确. 本文阐述了声透镜三维光声成像的基本原理, 揭示了声透镜像面上光声压信号的时间分布与样品轴向吸收分布之间的关系; 提出用积分法和希尔伯特变换提取光声信号瞬时值法, 解调样品吸收系数分布并重建光声像; 实验上, 对不同样品分别用积分法和希尔伯特变换法获取样品的吸收系数, 重建光声像的横向和轴向分辨率均约为1 mm, 实现了真正的三维快速光声成像.     

一种光纤F-P声发射传感器的设计与实现

为克服压电陶瓷传感器易受电磁干扰、不能实现长期实时检测的缺点,提出了光纤非本征F-P结构测量声发射信号的思想.对光纤非本征F-P腔声发射测量原理进行分析,提出了双波长的稳定方法,并进行了结构参量的优化设计,确定了合适的反射比、波长及F-P腔长.理论分析和实验结果表明：所设计的非本征F-P光纤声发射传感器具有良好的敏感性和高分辨率.     

广义斯奈尔定律与声超表面*

给出了广义斯奈尔定律的相关理论推导,并总结回顾了之前的几种设计,包括声人工结构表面和几种声超表面的案例。首先,以人工结构表面为例,以解析推导为主,结合数值模拟和实验结果,证明了人工窄井结构的异常反射现象。随后,我们回顾了声超表面的设计方法,包括折叠空间式和亥姆赫兹腔式两种典型的结构化设计。最后,我们重点回顾了一种厚度仅为1/20波长的声超表面,用于设计超薄声扩散体,称为声超表面施罗德扩散体。传统的施罗德扩散体是40年前提出的建筑声学领域的经典设计,而我们提出的声超表面施罗德扩散体在中心频率具有同样优质的漫反射效果。另外,通过混合不同目标频率的超表面单元,可以设计宽带的超薄施罗德扩散体,其带宽接近于商业化的施罗德扩散体,这个例子充分展示了声超表面在实际场合的应用潜能。