窗形声学超表面及其聚焦与多功能性研究

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近年来,声学超材料凭其独特的物理属性及参数可人工调控的特点,较大程度上克服了自然环境中材料属性的局限,得到了大家的高度关注。声学超表面,可视为声学超材料二维化的结果,依然保有体积模量与质量密度为负及各向异性等自然界不存在的奇异特性,同时厚度更薄,单元尺寸更小,更符合声学器件及设备小尺度微型化、集成化的发展趋势,深受科研人员的青睐。基于声学超表面并结合突变的相位分布可有效实现声波自由操控,已开展出许多具有重要意义及实际应用价值的声波操控效应及器件,如:声负折射、声涡旋、吸声、通风隔声屏障及声聚焦透镜等。声学超表面聚焦在医学检测及水下探测等领域均扮演着非常重要的角色,但尚存在构建繁杂、体积大、工作带宽窄、可调性差及功能单一等局限。本论文提出了窗形结构声学超表面,并对其聚焦特性及应用可调功能多样性展开了具体研究。本论文的主要研究内容涵盖如下。1、提出了一种窗形结构单元,该结构单元构建简单且灵活性高,通过调节其内带的两窗把手长度可调控声波传输通道的实际长度。利用有限元法计算并分析了结构单元随两窗把手长度变化的声波透射性能及相位分布特点。2、基于窗形结构单元并结合广义斯奈尔定律提出了一种声学超表面聚焦透镜,构建出其相应模型,采用有限元法计算并分析了其与频率之间的声波透射谱,然后大量计算不同频率时入射声波透射该超表面的聚焦声场,分析其聚焦效果与焦点特性及有效频率范围。在不改变该超表面构建单元的情况下,沿x轴方向在超表面中间设置不等间隔,探究其焦点位置沿轴向的可移性。3、在所提出的窗形结构超表面中引入非厄米复参数,保持其它参数不变的情况下仅调控质量密度虚部数值,基于有限元法模拟得到其声强度场及焦点强度值,并对比分析超表面被引入非厄米复参数前后的聚焦特性的变化。4、结合窗形结构单元与数字编码机制,提出了一种二元相位编码超表面,仅采用相位对应π(逻辑单元为“1”)及0(逻辑单元为“0”)两种窗形结构单元,并通过对二者在空间上进行合理顺序的灵活“编码”构建出聚焦编码超表面模型,并研究其聚焦的有效频带及焦点多方式可调性,并采用重新编码的超表面探究其声波分束及深度角偏折等功能,有限元法仿真计算不同功能的声压强度场、声压场,并对其各自对应的特性做详细分析
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