基于自准直效应的声功能器件研究

Recently, the investigation of acoustic functional devices based on artificial materials have attracted much attentions. The current study of these acoustic functional devices are mainly based on the acoustic metamaterials due to the tremendous subwavelength properties. Meanwhile, the frequency band in which the metamaterials show minus or zero index are generally narrow, which limit its applications. Aiming this problem, this project will propose a series of acoustic functional devices based on the self-collimation effect in two-dimensional sonic crystal, such as acoustic prism, acoustic notching filter, multi-channel acoustic signals separator and programmable acoustic logic array. Theoretical calculate the band structure of sonic crystals with different structure parameters and find out the internal relationship between the structure parameters (such as lattice parameter, component materials, fill rates) of the sonic crystals and the band structure. Construct line defects with different reflectivity and transmittance in sonic crystals, build numerical models of acoustic prism, acoustic notching filter, multi-channel acoustic signals separator and programmable acoustic logic array. Design experiments to verify these acoustic functional devices.

基于声学人工材料的声功能器件研究是近几年来的研究热点。目前各种声功能器件的研究主要集中于声超材料领域，声超材料具有出色的亚波长特性，能够以较小的尺寸实现大波长声波的调控，然而其等效参数往往只在较窄的频率范围内表现出零、负特性，限制了其应用范围。针对这一问题，本项目拟采用理论和实验相结合的研究方法，基于二维声子晶体中声波的自准直效应，设计和实现一系列声功能器件，如声棱镜、声陷波滤波器、多路声信号分离器，可编程声逻辑阵列等。理论上计算不同晶格声子晶体的能带结构，揭示二维声子晶体的晶格参数、组份材料与能带结构以及等频线之间的内在联系；构造不同反射、透射率的线缺陷，建立具有陷波滤波、多路声信号分离等功能的二维声子晶体数值模型并仿真；实验实现上述声功能器件。

基于声学人工材料的声功能器件研究是近几年来的研究热点。本项目采用理论和实验相结合的研究方法，基于二维声子晶体中声波的自准直效应，设计和实现一系列声功能器件，如声棱镜、声陷波滤波器、 多路声信号分离器等。理论上计算了不同晶格声子晶体的能带结构，揭示二维声子晶体的晶格参数、组份材料与能带结构以及等频线之间的内在联系；通过构造不同反射、透射率的线缺陷，建立具有陷波滤波、多路声信号解复用等功能的二维声子晶体数值模型并仿真验证。该研究成果在水声通信、声信号处理等方面有重要的应用前景。在本课题的基础上还进行了三维Mie共振型声学人工结构的声学特性及应用研究。模态分析、频域仿真与实验验证表明该三维人工结构能够在亚波长频段进行单极子、偶极子等多极子Mie共振。同时呈现出负值等效参数，从而使对应频段的声波发生全反射。应用包括低频噪声控制、声波定向传感/辐射。