宽频完美吸声超材料的理论研究

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在深亚波长尺度下的宽频声学吸收,是一个有趣并且充满挑战的重要科学问题。传统的方法,如多孔材料,微穿孔板和吸声楔等在这方面的应用受到严重限制。近年来,声学超材料,即有几乎任意质量密度和弹性模量的人工声学超材料,给声学吸收提供了一种前所未有的可能。具有超常参数的声学和弹性波超材料能表现出很强的控制声波和弹性波的能力,比如对低频声音的阻隔,负透镜,声学隐身材料等新现象。最近,声学超材料已开始被应用以提高吸声效果。通过理论分析和数值模拟,我们证明了弹性波的完美吸收(即100%吸收)可以用两种类型的超薄膜来实现:一种情况是质量密度具有几乎是纯虚数的较大的值加上自由空间边界,而另一种情况是弹性模量具有几乎是纯虚数的较小的值加上硬墙边界。当该纯虚数质量密度或弹性模量显示出一定的频率色散,完美吸收的效果会变得宽频,甚至可能在低频区实现。我们的工作提供了一种用超常参数薄膜(简称超薄膜)来实现弹性波的宽带完美吸收的可行方法。本文的主要安排如下:第一章,目前本课题研究进展及研究背景。简单的介绍了光学、声学吸收与散射的研究进展,以及超材料在其中的应用等等第二章,关于光学吸收与散射的研究。主要介绍了相干完美光学吸收体的发展过程。第三章,关于弹性波完美吸收体理论的研究。我们分析了通过使用超常参数薄膜来实现弹性波宽带完美吸收的机制。根据传输矩阵理论,我们发现两种类型的有这种可能性的超常参数薄膜。第四章,声学宽频吸收实现的条件的研究。通过一个简单的模型分析,我们发现,具有大的阻尼的弹性超材料可以被设计为带有几乎是纯虚数的参数,并在一定频率区间实现所需频率色散的有效介质,这为实现弹性波的宽带吸收提供了一个可行的方法。
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