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超构材料的声学调控性能研究
发布人:佚名 信息来源:本站原创  发布时间:2015年08月07日 点击数量:

目前,各类声学功能材料通常建立在自然材料声学性质的改进与提高上。然而自然材料的声学性质受自身微观结构与该尺度上组织方式限定,其常规声学性质的局限已成为制约新型声学器件发展与应用的瓶颈。近年来,人们发现通过构造某些具有特殊功能的人工微单元来模拟分子对声场的响应,并在微单元尺度上形成对声波运动状态的有序调制,可能获得与天然材料声学特性迥然不同的声学超构材料。超构材料中的声传播特性不仅与基体材料本身的声学性能有关,很大程度上还取决于亚波长或波长尺度上特殊微结构单元的调制作用,因而会表现出各种奇特现象和物理效应。这些奇异特性突破了传统声传输理论的一些概念的限制,提供了自由控制声波传输的手段,为新型声波功能器件的设计提供了全新的思路。我们围绕探索超构材料中的声学新效应和新现象这一重要科学问题,开展了超构材料中声传播理论和实验研究,设计与制备了多种具有特殊结构和性能的声学超构材料,极大地拓展了声波调控的性能,产生了部分原创性的研究成果。主要研究成果和亮点包括下列几个方面。
(1)声单向传播研究
作为第一个可实现电单向导通的器件,电子二极管的发明具有里程碑式的重要意义,在全世界范围内产生了极为深远的影响,引起了现代社会中的重大科技变革。声波作为一种重要的经典波,是比电更为常见的能量载体。若能设计并实现一种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,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。而声学理论中经典的互易原理决定了在任何线性声学系统中无法实现声能量的整流现象,且声波本质上并不具备类似电磁波的偏振特性及类似法拉第旋转的非互易效应,无法像光隔离器一样简单利用这些效应实现非对称传播。这些都使得声波沿“单行道”传播成为物理研究领域的难题。
我们利用强声学非线性媒质与声子晶体的组合,提出了简单却高效的“声二极管”理论模型,利用非线性突破互易原理的局限并结合声子晶体特有的能带滤波作用,实现了将声能流限制在单一方向上的声整流效应。在此基础上,继续开展了对声整流效应的实验研究,成功设计制造了声二极管原型器件,该器件对两个相反方向上传播的声能流的整流比接近一万倍。声整流效应的实现解决了传统意义上声能量无法在不同方向上实现非对称传输的物理难题,使得对一维系统中的声波能量的单向控制成为可能,对于复杂媒质中声传播特性研究领域具有重要的学术价值。该工作发表在《Nature Materials》、《Physical Review Letters》等重要期刊上:
http://www.nature.com/nmat/journal/v9/n12/pdf/nmat2881.pdf
http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.103.104301
并引起国际物理学界与声学界的广泛关注,得到Nature News、Physical Review Focus及Scientific American等科学网站的专门报道及高度评价:
http://physics.aps.org/story/v24/st8
http://www.nature.com/news/2010/101024/full/news.2010.559.html
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/news/news-picks/chinese_tem_develops_coustic-a-news-pick-post
http://www.scientificamerican.com/article/one-way-system-for-sound/
 
(2)低频声波辐射控制研究
武侠小说中有所谓的“传音入密”功夫,即说话人可以将说话的声音凝聚成线,直接送到特定人的耳中,而在场的其他人都听不到。事实上,这不仅是小说中天马行空的遐想,同时也是科学研究领域中的一个难题。众所周知,由于声波的衍射效应,在声源尺度很小的情况下,低频声波几乎没有指向性。最常见的现象就是,当说话者在讲话时,听者能在正前方,左方,右方,后方任何方向听到说话者的声音。如何控制低频声波,使其在特定的方向和角度上传播,是当今国内外物理学领域最棘手的问题之一。
我们提出了一种与众不同的思路,通过在金属上设计声学人工微结构,巧妙的将金属的边界由硬边界变成比空气还“软”的软边界。并在实验上成功获得了具有偶极子指向性特征的声波辐射。然而,由于偶极子的辐射效率比单极子要低很多,为了解决这一难题,实现高辐射效率的偶极子声辐射,课题组通过对材料的特殊设计,获得了与单极子相同数量级的偶极子辐射效率。为了获得更好的指向性,课题组通过进一步研究,在实验上实现了高效四极子声辐射,并在理论上预言了利用边界条件来实现低频声波准直特性的方法。低频声波辐射控制的研究成果发表在《Nature Communication》上。该成果将为实现低频高指向性的声学器件提供新的思路,在电声设计、水声和超声医学仪器方面有潜在的应用,例如设计仅允许舞台前方的听众能听到声音、减小声音流失及对其他方位人群干扰的电声器件,或是在空间狭小公共场合实现互不干扰的语音交流的电子器件等。该技术还有望在无损检测等领域产生变革,使现有的检测精度得到数量级上的提高,具有重要的应用前景。
http://www.nature.com/ncomms/2014/140124/ncomms4188/pdf/ncomms4188.pdf
 
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