新型功能材料——声子晶体

声子晶体是20世纪90年代初提出的一种新型声学功能材料，这种周期性弹性结构具有许多重要性质，如声波带隙特性，即处于禁带频率范围内的振动或声波将被禁止在晶体中传播。通过求解声波在晶体中的运动方程可以设计一定的声子禁带和允带，而声子禁带与声波异质结构中声子的安德森局域化问题密切相关。文章重点阐述了声子晶体的主要特征、理论研究方法、潜在应用及前景展望。     

声学超构材料

2000年报道的具有局域共振带隙的声学材料是声学超构材料的前身,也是最早实现的声学超构材料.同光学、电磁超构材料一样,近年来声学超构材料也引起了许多学者的研究兴趣.文章介绍了到目前为止声学超构材料的主要研究进展,内容包括含共振单元的声学超构材料的负有效声学参数（包括质量密度、体模量等）的实现,以及不含共振单元的声学超构材料的一些有效声学参数的确定等,最后对声学超构材料的可能应用进行了简单展望.     

二维磁流变包层声学超材料*

该文构建了以钨为内核、环氧树脂为基体、磁流变弹性体作为包层的二维局域共振型声学超材料,采用有限元方法分析了声波的能带结构、透射率、振动模。研究结果表明:利用外磁场可以调控磁流变弹性体包层的弹性模量,从而调节声学超材料带隙的中心位置和宽度,还可以通过改变磁流变弹性体包层的厚度来调节带隙的中心位置和宽度。这些方法对可调型声学超材料的设计有重要的参考意义。     

声学超材料与超表面研究进展

声学超材料是一种人工设计结构的材料,具有超越自然界材料行为的特性,如负折射、反常多普勒效应、平面聚焦等.本文主要介绍了声学超材料近二十年来的相关研究进展,重点论述了超原子声学超材料、超分子声学超材料、超原子簇和超分子簇声学超材料.最后简要介绍了近五年来声学超表面的研究概况和发展趋势.     

近周期超晶格中的声学声子及其光散射特性

利用转移矩阵方法计算了近周期超晶格体系（包括有限周期数的超晶格、耦合超晶格、层厚起伏和层厚渐变的超晶格）中声学声子的喇曼散射谱．结果表明上述近周期超晶格的光散射特性与理想严格周期的体系和完全无序的体系都不相同，呈现出许多独特的性质．对有限周期数的超晶格，由于边界的存在，喇曼谱中除了理想超晶格中存在的折叠声学声子峰（主峰）外，还会出现一系列等间距分布的卫星峰．对耦合超晶格体系，理想超晶格中存在的主峰将出现分裂．对层厚起伏变化的超晶格，主峰呈现非对称展宽，展宽主要出现在高波数端．计算结果和实验测得的谱线作了比 关键词：     

ZnS-ZnSe应变层超晶格的纵声学声子折叠模

本文报道室温下ZnS-ZnSe应变层超晶格的纵声学声子折叠模的喇曼光谱测量,在10～90cm~(-1)范围内得到三级双峰结构。     

离子型声子晶体的光学性质

提出了离子型声子晶体的概念,发展了相应的理论：在实验上证实了离子型声子晶体中存在超晶格振动与电磁波的强烈耦合,观察到原先存在于离子晶体中的极化激元等长波光波行为;预言了一些可能的物理效应,离子型声子晶体超晶格振动和电磁波的耦合方程与黄昆方程在形式上完全一致,说明了超晶格与实际晶格在物理上的相似性。     

Mo(001)表面声子、声子软化及再构

本文考虑最近邻及次近邻相互作用,连续地改变表面相互作用参数α_s和β_s,研究了Mo(001)表面声子及其软化,得到了声子稳定图,并分析了表面波的振动模式,讨论了表面波的软化与表面再构的关系。 关键词：     

Frequency separation of surface acoustic waves in layered structures with acoustic metamaterials

We show theoretically that in elastic layered structures containing an upper layer of smoothly varied thickness and a substrate of a highly dispersive metametarial it is possible to significantly enhance spatial frequency separation of surface acoustic waves. Theory of Love surface acoustic waves propagation in waveguides with varied thickness, taking into account mutual modes coupling, is built. Appropriate structure of metamatererial with resonant frequency dependence of material parameters, making frequency separation effective, is provided. Efficiency of spatial frequency separation and modes coupling is calculated for various metamaterial parameters and wave frequencies.     

超宽带声螺旋结构

超材料慢声器件具有非常灵活的相位控制能力,能够实现超薄的声透镜、声学整流器和声学自加速发生器等多种声学功能器件。但是,大多数慢声器件存在严重的色散、界面阻抗不匹配等问题,限制慢声器件只能在较窄的带宽工作。文章介绍了一种全新的螺旋型慢声器件,回顾了均匀螺距的螺旋结构超材料和螺距连续变化的螺旋结构超材料,深入分析了实现宽带零色散慢声器件和宽带高耦合效率的慢声器件的基本原理和设计规则。这些慢声器件可通过调整结构的螺距来灵活实现相位调节。最后,文章从数值和实验两个方面证明了按照一定规律排列的螺旋结构型超材料单元可以将入射的平面声波转换成按预设抛物线轨迹传输的艾里声束。     

暗声学超材料研究

由于普通材料的固有耗散在低频区域的微弱性,长久以来,低频声波的衰减一直都是一个颇具挑战性的任务.为了能够在100—1000Hz范围内完全吸收某些频率的低频声波,文章作者设计了一种薄膜型的暗声学超材料样品:它是由在弹性薄膜上镶嵌有一些非对称性的硬质金属片而制成.实验表明,该样品在低频区域几乎能够百分之百地吸收声波,而在共振吸收频率处,空气中的声波波长要比薄膜的厚度大3个数量级以上.当共振发生时,硬质金属片的"拍动"导致很大的弹性曲率能量聚集在金属片的边界附近.由于薄膜的拍动模式与声波的辐射模式仅存在微弱的耦合作用,而弹性薄膜的整体能量密度又比入射声波的能量密度大2—3个数量级,该样品本质上是一个开放的共振腔,这也是它能够高效地吸收低频声波的原因所在.     

Acoustic scattering from a submerged cylindrical shell coated with locally resonant acoustic metamaterials

Using the multilayered cylinder model, we study acoustic scattering from a submerged cylindrical shell coated with locally resonant acoustic metamaterials, which exhibit locally negative effective mass densities. A spring model is introduced to replace the traditional transfer matrix, which may be singular in the negative mass region. The backscattering form function and the scattering cross section are calculated to discuss the acoustic properties of the coated submerged cylindrical shell.     

动态质量密度和声学超常介质

复合介质的质量密度通常认为是组成它的各种成分的质量密度的体平均值.体平均质量密度常常被用于计算在长波长极限下的声波速度,在此极限下波长比复合介质中的特征尺度要大得多.作者通过严格的数学推导证明,计算(长波长极限下的)波速时所用到的动态质量密度与静态的体平均质量密度有显著的不同.这一发现与最近的实验结果符合得非常好,并且使得声学超常介质的实现成为可能.这两种质量密度之所以不同的物理根源就在于,在波场中复合介质中的各个成分之间有相对的运动.也就是说,隐含的假定——在长波长极限下复合介质中的各个成分必定会全体同相地运动——将不再正确,尤其是当各个成分的声学阻抗之间有较大的差异时.实验和理论显示,对于局域共振声学材料而言,动态质量密度甚至还会变成是负的.文章探讨了这一发现的物理意义,以及它在声学超常介质领域的应用.     

动态质量密度和声学超常介质

复合介质的质量密度通常认为是组成它的各种成分的质量密度的体平均值.体平均质量密度常常被用于计算在长波长极限下的声波速度,在此极限下波长比复合介质中的特征尺度要大得多.作者通过严格的数学推导证明,计算（长波长极限下的）波速时所用到的动态质量密度与静态的体平均质量密度有显著的不同.这一发现与最近的实验结果符合得非常好,并且使得声学超常介质的实现成为可能.这两种质量密度之所以不同的物理根源就在于,在波场中复合介质中的各个成分之间有相对的运动.也就是说,隐含的假定——在长波长极限下复合介质中的各个成分必定会全体同相地运动——将不再正确,尤其是当各个成分的声学阻抗之间有较大的差异时.实验和理论显示,对于局域共振声学材料而言,动态质量密度甚至还会变成是负的.文章探讨了这一发现的物理意义,以及它在声学超常介质领域的应用.     

可用于隔声和带隙调控的五模式超材料

为了利用在声学领域极具应用前景的双锥型五模式超材料进行隔声降噪,提出一种双锥宽直径不全同型五模式超材料.利用有限元方法分析了其声子能带结构、各波模相速度、品质因数随结构与材料参数的变化关系,在实用性和稳定性上与窄直径不同型五模式超材料作了比较.宽直径不全同型五模式超材料在保持原始五模式结构单模传输能带的前提下,还产生了更低频、宽带的三维完全带隙,且结构更稳定,重量更轻。双锥型五模式超材料在特定宽直径不同时具有三维完全带隙,品质因数主要由结构参数决定,各材料参数只是不同程度地影响带隙的绝对宽度和位置.研究结果表明双锥宽直径不全同型五模式超材料有望用于带隙调控和隔声。     

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.     

声学超材料对低频噪声的消声特性

针对低频噪声较难消除的问题,设计了亥姆霍兹共振腔与声学超材料薄膜耦合的消声结构,在利用有限元软件进行屈曲分析薄膜的临界状态得知声学超材料薄膜结构临界失稳力为0.087 N·m,利用COMSOL声固耦合模块研究薄膜形态对传递损失峰值频率的影响。结果表明:薄膜扭转角度由0°增加到30°时,薄膜总体刚度增加,传递损失峰值对应频率向右偏移了30 Hz,变化并不明显。为了扩大频率偏移范围,在扭转30°的基础上,对扭矩棒施加垂直向下的压力,压力由0 kPa增加到2 kPa,薄膜预应力增大,系统刚度增加,使得传递损失峰值向右偏移了170 Hz。最后搭建实验平台,验证了薄膜在扭转时的频率偏移与仿真基本吻合,在不同压力时频率偏移一致,进而可以实现较大范围的低频率噪声控制。为声学超材料的设计和控制提供有效的依据。