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.     

声波的“单行道”——声二极管的理论与实验研究

作为第一个可实现电整流的器件,电子二极管的发明标志着现代电子学的诞生,并在全球范围内引发了各个领域内的革命,最终深刻地改变了我们的整个生活.声波作为一种重要的经典波,具有比电磁波更为悠久的研究历史及更为普遍的存在形式.因此,若能设计并实现一种可像电子二极管控制电流那样对声能量进行整流的声学器件,这将对声学的器件制造、实际应用乃至整个声学研究领域都产生重大影响,其学术意义及应用价值的重要性不言而喻.文章详细介绍了利用超晶格与非线性声学材料构成的声二极管的理论与实验方面的最新研究进展.     

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．     

薄板中类Lamb波在负载流体中引起的声流的研究

板的一侧有粘滞液层负载时,板中类Lamb波的传播将会在其负载流体中引起声流。结合单面粘滞液层负载板中类Lamb波的传播机制以及流体中由于声波非线性传播引起声流的理论,运用逐级近似法,并考虑到具体的实验条件,计算了薄板内有类Lamb波传播时,其负载流体中声流的速度大小与分布。数值计算与已有实验符合较好。     

基于二硫化钼的可调一维声子晶体

声子晶体所具有的负折射率、 局域缺陷态与弹性波带隙等特性, 使其在声学隐身、 声学波导以及减震降噪等方向展现了巨大的潜力. 同时, 二硫化钼优异的电学和力学性能使其成为制备纳米机电器件的理想材料. 将单层二硫化钼转移到预先图案化的周期性结构上, 可以制备出纳米尺度的声子晶体器件. 本文设计了一种通过将单层二硫化钼转移贴合在预先制备的周期性沟槽阵列上, 形成一维声子晶体的方案. 有限元分析表明, 这种声子晶体在MHz 范围存在声子能带结构, 可以实现对声波传播的控制. 我们可以通过改变结构参数, 或者通过改变施加在栅电极上的电压, 对能带进行调控. 这种结构为开发基于二维材料的纳米尺度的声子晶体器件提供了可能性.     

新型二维压电声子晶体板带隙可调性研究

设计了一种由涂有硬质材料涂层的柱状压电散射体周期性连接在四个环氧树脂薄板上构成的具有大带宽的新型二维压电声子晶体板,并利用有限元方法计算了该声子晶体板的能带结构、传输损失谱和位移矢量场.研究表明：与二组元材料构成的传统声子晶体板相比,新设计的声子晶体板的第一完全带隙频率更低,并且带宽扩大了5倍;通过在压电体表面上施加不同的电边界条件,可以实现多条完全带隙的主动调控;压电效应对能带结构有很大的影响,并且有利于完全带隙的扩大与形成.基于带隙的可调谐性,分析了可切换路径的压电声子晶体板波导,结果表明可以通过改变电边界条件来限制弹性波能量流.     

基于近零折射率材料的声非对称聚焦透镜

研究基于近零折射率声子晶体的声非对称聚焦透镜。声非对称聚焦透镜的两侧分别为竖直平面与圆弧面结构,由于近零折射率材料的声波方向选择性,当声波从竖直平面一侧入射时,可以通过透镜,实现高性能声聚焦效应;而当声波从圆弧面一侧任意方向入射时,声波无法通过透镜,从而实现同时具有聚焦与非对称传输特性的声学透镜。在此基础上,改变透镜圆弧面的曲率半径,可以调控非对称透镜的正向聚焦焦点位置,且声非对称传输性能保持不变.此外,透镜内部的刚性散射体对声非对称聚焦性能的影响较小。研究结果表明所设计的声非对称聚焦透镜具有多功能、单一结构及高鲁棒性等优点,为设计新型近零折射率声学器件提供相应的理论方案与实验参考.      

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.     

A0模态Lamb波聚焦透镜的结构设计及实验研究

基于折射率的弯曲波透镜多在板结构上打孔或挖槽,这种设计破坏了原有的结构,降低了板的刚度和稳定性。鉴于此,通过在板表面镶嵌棱柱的方式设计了A0模态Lamb波的聚焦透镜。首先,详细讨论了棱柱的结构参数对Lamb波带隙的影响机理,获取了波速与结构尺寸的定量关系,并实现了透镜的结构设计;其次,有限元仿真了该聚焦透镜的工作性能,包括聚焦位置、焦点处能量分布、聚焦尺寸、工作带宽等;最后,通过实验验证了该透镜设计的正确性。研究结果表明,设计的透镜能够使弯曲波聚焦在预先设定位置,且在不改变结构参数的情况下具有一定的工作频率带宽。该透镜设计方法具有聚焦性能优越、刚度强、易于加工等优点,为声聚焦透镜在无损检测、能量收集等领域的实际应用提供了参考。     

一种多频局域共振型声子晶体板的低频带隙与减振特性

设计了一种多频局域共振型声子晶体板结构, 该结构由一薄板上附加周期性排列的多个双悬臂梁式子结构而构成. 由于多个双悬臂梁式子结构的低频振动与薄板振动的相互耦合作用, 这种局域共振型板结构可产生多个低频弯曲波带隙(禁带); 带隙频率范围内的板弯曲波会被禁止传播, 利用带隙可以实现对薄板的多个目标频率处低频减振. 本文针对这种局域共振型板结构进行了简化, 并基于平面波展开法建立了其弯曲波带隙计算理论模型; 基于该模型, 结合具体算例进行了带隙特性理论分析. 设计、制备了一种存在两个低频弯曲波带隙的局域共振型板结构样件, 通过激光扫描测振仪测试证实该结构存在两个低频带隙, 在带隙频率范围的板弯曲振动被显著衰减.     

Ultra-broadband asymmetric acoustic transmission with single transmitted beam

We report both experimentally and numerically that ultra-broadband asymmetric acoustic transmission is realized by a brass plate and a right triangle reflector immersed in water. This exotic phenomenon arises from the asymmetric excitation of the leaky asymmetric zero-order Lamb mode in the brass plate induced by the incident angle of external bulk waves. The results show that the bandwidth of the asymmetric acoustic transmission could reach 2000 k Hz, and the positive transmitted wave is only a single acoustic beam. The device has the advantages of ultra-broadband, single transmitted beam,and simpler structure, which has great potential applications in ultrasonic devices.     

Analytical model of an acoustic diode comprising a superlattice and a nonlinear medium

We give an analytical analysis to the acoustic propagation in an acoustic diode (AD) model formed by coupling a superlattice (SL) with a nonlinear medium. Analytical solutions of the acoustic transmission are obtained by studying the propagations in the SL and the nonlinear medium separately with the conventional transfer-matrix method and a perturbation technique. Compared with the previous numerical method, the proposed approach contributes a better physical insight into the intrinsic mechanism of acoustic rectification and helps us to predict the performance of an AD within the effective rectifying bands in a simple way. This is potentially significant for the practical design and fabrication of AD devices.     

矩形波导中宽带非对称声传输

目前已有的非对称性声传输模型大部分局限于二维模式,无法直接应用于三维实际系统,针对这一问题,文中研究了通过内置非对称几何结构来实现声单向传输的三维管道模型。该几何结构体内引入天然材料——氙气,利用氙气与空气两种天然气体折射率的差异以及结构的不对称,实现声波在管道中的非对称传输,即当声波正向入射时,可通过管道内结构到达另一侧;而当反向入射时,声波无法通过内置的非对称结构。理论计算结果和仿真结果表明声波在三维矩形波导管中的非对称声传输效果和结构的厚度相关:当结构厚度较薄时,可在较宽频带范围内实现声波的非对称传输。此外,该矩形波导设计具有结构简单、透明超轻等特点,为设计新型声波非对称传输器件提供了相应的理论参考。      

基于弹性波超表面的Lamb波透射调控

根据广义Snell定律,该文提出了一种新型曲梁型弹性波超表面结构。通过该结构对入射波进行相位调制,实现了板中Lamb波(A0模态)的异常透射调控,从而实现了波的负折射、非对称传输、声聚焦等功能。进一步的研究结果显示,若将该类超表面结构贴置在完整的铝板表面,通过引入吸声材料(阻尼),在保证薄板完整性的同时,可以起到显著消除薄板和超表面透射波场叠加的作用。该方法实现了对完整板结构Lamb波透射方向的有效调控,也为弹性波超表面提供了新的研究思路。     

Controllably asymmetric beam splitting via gap-induced diffraction channel transition in dual-layer binary metagratings

In this work, we designed and studied a feasible dual-layer binary metagrating, which can realize controllable asymmetric transmission and beam splitting with nearly perfect performance. Owing to ingenious geometry configuration, only one meta-atom is required to design for the metagrating system. By simply controlling air gap between dual-layer metagratings, high-efficiency beam splitting can be well switched from asymmetric transmission to symmetric transmission. The working principle lies on gap-induced diffraction channel transition for incident waves from opposite directions. The asymmetric/symmetric transmission can work in a certain frequency band and a wide incident range. Compared with previous methods using acoustic metasurfaces, our approach has the advantages of simple design and tunable property and shows promise for applications in wavefront manipulation, noise control and one-way propagation.     

缺陷致非线性电路孤子非对称传输

设计了一种有缺陷的非线性电感-电容(LC)电路,简单方便地实现了电路能量非对称传输,且其能量的载体是非线性波——孤子.在LC电路中,当缺陷靠近驱动时,驱动频率接近缺陷本振频率,缺陷共振致电路导通.远离驱动时,电路不导通.缺陷的引入改变电路的均一性,实现小驱动振幅下孤子的单向释放,提高驱动能量转化为孤子能量的效率.对非线性LC电路的传输能量、缺陷系数和驱动振幅三者的关系进行了讨论.     

Microcrack localization using a collinear Lamb wave frequency-mixing technique in a thin plate

A novel Lamb wave frequency-mixing technique is proposed for locating microcracks in a thin plate,which does not require the resonance condition of Lamb wave mixing and can accurately locate the microcracks through only one-time sensing.Based on the bilinear stress-strain constitutive model,a two-dimensional finite element(FE)model is built to investigate the frequency-mixing response induced by the interaction between two primary Lamb waves and a microcrack.When two primary Lamb waves of A0 and S0 modes with different frequencies excited on the same side of the plate simultaneously impinge on the examined microcrack,under the modulation of the contact acoustic nonlinearity,the microcrack itself can be deemed as the secondary sound source and it will radiate the Lamb waves of new combined frequencies.Based on the time of flight of the generated A0 mode at difference frequency,an indicator named normalized amplitude index(NAI)is defined to directly locate the multi-microcracks in the given plate.It is found that the number and location of the microcracks can be intuitively visualized by using the NAI based frequency-mixing technique.It is also demonstrated that the proposed frequency mixing technique is a promising approach for the microcrack localization.     

利用激光多普勒测振仪的空气耦合超声声场测量*

进行了空气耦合超声声场测量的实验研究。使用激光多普勒测振仪测量由声波引起的激光路径上的介质折射率变化,进而得到空气和固体材料内部的时域瞬态声压。通过直接测量空耦换能器的辐射声功率,给出对单个空耦换能器灵敏度的直接评价方法。用空耦换能器激励K9玻璃板的漏兰姆波,观测到空气中的直达波和反射波、固体板内和空气中的漏兰姆波,实现了空气和固体中微弱声波的非侵入式实验测量,为空耦换能器的特性评估和空耦检测系统的声场测量提供了实验方法。     

复合兰姆波声子晶体中超宽部分禁带

兰姆波在声子晶体薄板中的传播特性因其在无损检测、 减振技术和传感器件等领域的潜在应用价值而受到越来越多的关注. 本文采用超原胞平面波展开法和有限元法系统地研究了复合对称结构声子晶体薄板中的兰姆波超宽部分禁带. 结果表明: 对于在薄板侧面对称地嵌入双层矩形空气柱构成的复杂系统, 低阶兰姆波部分带隙结构极为丰富. 将晶格常数(L)和板厚(H) 比值具有匹配关系的兰姆波声子晶体衔接构成复合结构, 低阶兰姆波部分禁带宽度因各组分结构的部分禁带交叠而得到显著拓宽, 可在低频超宽频带内实现对特定低阶兰姆波模式良好的模式选择功能. 该研究结果对兰姆波缺陷无损检测中模式优化选择及兰姆波单向导通器件设计等方面具有重要意义.