基于多层梯度参数声栅的亚波长尺度声聚束机理研究

Acoustic beam formation lens is one of the feasible structure to achieve non-diffraction like beam. This program aims to reveal the mechanisms of acoustic beam formation in subwavelength regime based on multi-layered gradient gratings including three subjects: acoustic waves transmission properties through multi-layered gradient gratings; acoustic beam formation mechanisms in subwavelength regime based on multi-layered gradient gratings and design of new acoustical functional devices based on gradient elements. Structure property and material property are two different aspects to analysis the mechanisms of the gradient grating lens. To establish the multi-scattering model and computational method of the multi-layered gradient gratings, and then to analysis the transmission progress of the acoustic waves and the properties of energy localization in the gratings provide feasibility to understand the mechanisms from the angle of structure-property. The effective material theory in finite wavelength assumption based on Fourier expansion and Bloch theory is a necessary step to explain the mechanisms of the lens for the angle of material -property. The results of this program are helpful for obtaining new mechanisms of acoustical beam formation, pushing on the application of acoustic lenses and designing new acoustical functional devices.

聚束声透镜是实现声波近似无衍射传播的重要途径之一。本项目以多层梯度参数声栅透镜在亚波长尺度下的声聚束机理为研究对象，对声波在多层梯度参数声栅间传播过程，多层梯度参数声栅亚波长尺度下聚束机理和基于梯度参数结构的新型声人工结构设计及应用基础等三个方面的内容展开研究。亚波长尺度下的结构声学特性和等效材料特性是分析含梯度参数单元的多层声栅透镜聚束机理的两个方面。建立含梯度参数单元声栅的多重散射模型和计算方法，分析多层梯度参数声栅间的声传播过程和能量局域特性，可以从结构特性角度分析亚波长尺度下声聚束机理。不同于长波假设下的等效介质理论，有限波长下的结构等效介质理论结合了傅立叶展开方法和周期结构特性，可分析亚波长尺度下声透镜等效介质参数，从而为聚束机理分析提供材料学支撑。本项目研究结果对揭示新的聚束机理，推进声透镜工程应用和设计新型声人工结构都具有重要意义。

本项目以多层梯度参数声栅透镜为研究对象，基于理论分析、数值模拟和实验研究等多种手段对声透镜亚波长聚焦聚束机理进行了研究，并开展了适当的应用探索。项目期内主要完成了多层梯度参数声栅间多重散射过程模型的建立与参数分析，二维多层梯度参数声栅透镜理论分析与设计改进，三维多层梯度参数结构声透镜理论与实验研究，一维有限长衍射声栅Rayleigh-Bloch模式研究，多种类型声人工结构透镜研究，以及其他声人工结构探索研究等等。通过上述研究过程，基本建立了该类型声透镜声场计算模型，掌握了影响声透镜聚焦聚束效果的关键参数，提出了多层梯度参数声栅结构透镜亚波长聚束的基本机理，在此基础上改进了声透镜设计方法，使其更加贴近工程应用实际需求。在实际应用过程中，验证了设计方法的有效性，为开展多层梯度参数声栅结构透镜应用推广工作提供了帮助。通过开展一维有限长衍射声栅声场特性研究，发现其具有类似Rayleigh-Bloch模式效应，此时在单元间存在能量局域现象，而在声栅出射端存在能量聚束现象。这一结论也为解释多层梯度参数声栅结构亚波长聚束基本现象提供了机理支撑。项目期内，还对具有径向梯度参数变化的声透镜开展了理论与实验研究，对基于超表面的声透镜开展了理论研究，研究结果表明不同类型的声透镜分别具有不同的特点，可以根据应用需求进行选择。另外，项目期内，为拓展研究思路，深化研究内容，还对多种不同类型声人工结构开展了基础研究。本项目所得结果对系统深化多层梯度参数声栅结构透镜具有重要意义，对推广声透镜应用提供了支撑，并且对研究其他类型声人工结构的亚波长工作机理具有一定帮助。