声波超材料设计与应用机理探索.pdf

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1、声波超材料设计与应用机理探索徐先臣2015年1月中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540声波超材料设计与应用机理探索作者姓名徐先臣学院名称宇航学院指导教师周萧明副教授答辩委员会主席季葆华教授申请学位工学硕士学科专业力学学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月2ThestudyaboutthedesignandapplicationofAcousticmetamaterialsCandidateName：XianchenXuSchoolorDepartment:SchoolofAerospaceEngineeringFa

2、cultyMentor:Prof.XiaomingZhouChair,ThesisCommittee：Prof.BaohuaJiDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：SolidMechanicsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，20143北京理工大学硕士学位论文摘要传统声学成像是基于采集声波对被探测散射体散射声波，反演物体的几何形貌或确定物体内部缺陷，然而这一类传统声学探测方法受到声波衍射极限的限制。究其原

3、因，由于声波在遇到散射体发生散射时会在近场形成凋落波，这一部分声波会随着其传播距离的增加而呈指数衰减，由于传统声学成像在远场由于凋落波的衰减，从而无法得到声场的全部信息。为了克服传统声学成像衍射极限的限制，本文基于超材料的设计与等效实现的原理，提出来一种实现零质量超材料超分辨成像的实验设计，推导了弯曲波超分辨成像的原理，并利用变换原理，设计并实现了声隐形通路的效果。本文的主要工作如下1.实验实现了零质量超材料超分辨成像。首先建立了一种基于等效零质量原理的声波超材料，并对这种超材料分别进行了超分辨成像的数值模拟和实验验证。给出了通过磁调

4、控来实现对超分辨成像进行主动控制的一点实验结果，证明了超分辨成像主动控制的可行性，为拓展超分辨成像的应用做了进一步探索。2.给出了薄板弯曲波推导过程，并进一步推导了弯曲波在特殊薄板，如正交各向异性薄板中的传播情况。在对声波超材料超分辨成像研究的基础上，进一步探索了弯曲波超材料的超分辨成像的原理，通过设计结构，模拟验证了利用弯曲凋落波成像的可行性，并提出了可以实现聚焦有助于实现超分辨成像的结构。3.基于弹性波方程坐标变换不变性，给出了等效质量和等效模量都为负的声波超材料变换公式，在基于超材料等效原理的基础上，研究了一种折叠变换结构的超材

5、料，实现了声波隐形通路的效果，并设计了这种超材料的实际结构，用3D打印机制作了这种隐形通路进一步做了实验验证。关键词：声波超材料；凋落波；零等效质量；薄膜；弯曲波；超分辨成像；隐形通路I北京理工大学硕士学位论文AbstractTraditionalacousticimagingdependsonthecollectionofsoundscatteringacousticalInformationtogetthegeometricmorphologyoridentifyinternaldefectsofobject.However,th

6、ismethodislimitedbythesoundwavediffractionlimit.Thereasonisthattheevanescentwaveswhichcontainthenear-fielddetailofobjectwillbeexponentialattenuationwiththeincreaseofthepropagationdistance.Inordertoovercomethediffractionlimitoftraditionalacousticimaging,wedesignandfabric

7、atesuchmetamateriallensbasedonclampedpapermembraneunits.Thezero-massfrequencyisdeterminedbynormalincidenceacoustictransmissionmeasurementandalsobeverified.Thetheorybyusingflexuralwavetorealizethesuper-resolutionimagingwasdeveloped.Ainvisibleacousticalpathwaywasalsodesig

8、nedandtested.Themajorresearchworkscanbesummarizedasfollows:1,Anisotropiczero-massacousticmetamaterialsareablet