利用结构声表面波实现声波的准直发射

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1、#利用结构声表面波实现声波的准直发射柯满竹，贾晗，叶扬韬（武汉大学物理科学与技术学院，武汉430072）5摘要：周期性刻槽的刚体表面可以支持一种被称作结构声表面波的表面模式，在低频段，这种声表面波处于局域态。通过引入大周期栅结构的二次调制，声表面波可以由局域态转变为辐射态，当其与外界入射波耦合时，能够得到远场准直波束。实验测量和理论模拟都表明，利用这一结构，可以实现较好的声波准直效应。关键词：声学；周期结构；准直效应；声表面波10中图分类号：O424CollimationofsoundsupportedbydesignersurfaceacousticwavesKeManzhu,Ji

2、aHan,YeYangtao15(SchoolofPhysicsandTechnology,WuhanUniversity,WuHan430072)Abstract:Therigidsurfacemodulatedwithperiodarraysofsubwavelengthgroovescansupporthighlyconfinedsurfacestates,whicharenowcalleddesignersurfaceacousticwaves(DSAWs).Atlowfrequency,thesurfacewavesarenonleaky.Byintroducinganex

3、tralarger-periodarrayofnarrowridgesintotheoriginalstructuredplate,thesurfacewavesturnleaky.Theinterferenceof20thesurfacewavesandthewavesdiffusingfromthesourceresultsinacollimatedbeam.Bothexperimentalandsimulatedresultsshowobviouscollimationofsound.Keywords:acoustics;periodicstructure;collimatio

4、n;surfaceacousticwaves0引言[1,2]25近年来，光学反常透射引起了科学界的广泛关注，起初这种在金属膜中构造亚波长的周期性结构所引发的光波透射增强归功于金属表面及结构内部孔缝中SPPs的共振激发，[3,4][5]并利用周期性结构来调制金属表面的SPPs及光子晶体表面上的表面波，从而得到定向光束。最近研究发现，在原本无法支持电磁表面波的完美导体表面加上周期性的修饰后，也[6,7]能够在表面上获得很好的局域模，得到只能沿着表面传播的电磁波模式。后者通常被称30为结构电磁表面波（SpoofSPPs或designerSPPs）。与此对应的声表面波在人工声学材料中的研究也

5、取得了很大的进展。利用周期性结构激[8]发固液界面的Scholte-Stoneley波来实现反常透射，利用声子晶体与基体界面上的表面波[9-10][11]来获得声准直束等都已经被报道。2007年，Christensen等人指出利用在声学刚性板上加上周期性的修饰后所得到的结构声表面波，也可以获得与电磁波类似的声波透射加强与声[12,13]35准直波束。这种结构声表面波在之前已经有所报道，但随着反常透射现象的发现，再一[14-15][16]次引起了人们的关注。我们前期对一维结构表面波的色散特性进行了系统分析。在本文中，我们进一步通过增加二次结构对结构声表面波的色散特性进行有效调制，并由此

6、获得了高效的准直声波束。基金项目：ThisworkissupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNos.10974147)andtheProgramforNewCenturyExcellentTalents(NCET-11-0398)andDoctoralResearchFoundationofMinistryofEducationofChina(GrantNo.20090141120073).作者简介：柯满竹，（1974-)，女，副教授，主要从事声学人工结构研究。E-mail:mzke@whu.edu.cn

7、-1-1样品及测量方法40实验装置及样品如图1所示。图1（a）显示了未加二次调制的原始样品。样品材料为机玻璃（PMMA），由于PMMA和空气的阻抗差异极大，可以近似为刚性板处理。结构为：厚度为t=1.7cm的二维刚性板上表面处，刻出一系列周期为p=2cm，宽度为w=1.2cm，深度为h=1.2cm的矩形空气凹槽。加二次调制的样品如图1（b）所示。散射体位于凹槽的正中间，宽度为w1=0.2p=0.4cm，高度为h1=0.72p=1.44cm，散射体的周期为p