人工表面杂化结构固体板的声学特性和应用

In recent years, as the rapid development of the study of subwavelength structured metal plates, artificial acoustic plates with structured surface also attracted extensive interests, and made many important achievements. However, compared to their metal counterpart, study to the acoustically artificial surface structures are still very lack. Further, the theoretical and application studies are mainly focused on the surface structures with single period, which greatly limits the applications in the multifunctional and compacted acoustic devices. In this project, we will systematically and deeply study the modulation effects of hybrid (non-single period) surface structures in the solid plates on the acoustic waves. Based on the consideration of properties of solid plates and their intrinsic modes, we will study the excitation, modulation and the exotic properties of the hybrid subwavelength surface structures on the intrinsic modes in solid plates, and study the coupling modulations of the acoustic/elastic waves with the intrinsic modes in solid plates by surface hybrid structures, and the induced exotic effects, such as the acoustic/elastic unidirectional transmission and the efficient conversion between longitudinal waves and shear waves in solid. By combination the new properties with applications, we can design multifunctional, highly compacted acoustic devices. The studies in this project will help to bring into new concepts and anticipate the new applications, which is of great significance on the sciences and practical applications.

近年来，随着金属亚波长结构板研究的迅速发展，声人工表面结构固体板的研究也引起了广泛的研究兴趣，取得了一些重要的研究成果。然而对比于金属表面结构的研究，声固体板表面人工结构的研究远远不够;并且其理论研究和应用研究大多都集中于单一周期性表面结构，其特性和功能都较单一。这极大地限制了其在多功能，集成化声学器件中的应用。本项目中，我们将系统而深入地研究固体板中杂化(非单一周期)表面结构对声波的调制效应。基于考虑固体板中本身的性质和内在的模式，研究杂化人工表面亚波长结构对固体板中各种内在模式的激发和调制，以及所具有的新奇特性。研究杂化表面结构对声波/弹性波和固体板中各种内在模式的耦合调制和所展示的新奇效应，如声波/弹性波单向透射，纵波横波高效转化等。将所发现的新特性与应用相结合，设计多功能，高集成化的波功能器件。本项目的研究有助于提出新概念，预期新应用，具有科学和实际应用意义。

本项目中我们致力于声表面结构对声子晶体和声固体板的调制作用研究。具体地，我们研究了声表面栅结构对于声子晶体的调制。通过在声子晶体两侧设计对称声学表面栅结构，我们可以让入射声波穿过原本为禁带的声子晶体，进一步可以获得成像；通过在声子晶体两侧设计不对称声学表面栅结构，我们可以让入射声波与声子晶体通带中不同模式耦合，实现了对声波的分束。这些特性主要是由入射声波通过声表面栅结构的不同级数的衍射激发声子晶体中不同内在模式引起的。我们也研究了在声固体板表面修饰一维或二维周期性结构的奇特效应。我们在声软固体板表面雕刻一维周期性硬栅结构，实现了声结构固体板对于声颗粒的宽频带、高强度的吸引力。进一步的研究，我们发现此负声辐射力主要是由固体板中反对称耦合Scholte表面波的集体共振激发引起的。通过在声硬固体板表面雕刻二维周期性孔洞结构，我们现实了对硬固体板中表面波的调制。通过在周期性二维结构中引入线缺陷，可以让声表面波在固体结构板中高效地转弯和分束。此外，我们也研究了两个相互垂直的声波导结构的声学单向传播现象。基于此声学波导装置，我们提出了一种新的可以实现单向声学偶-奇模式转换和声波单向透射途径。我们的研究表明，由于波导模式和共振腔模式的对称性匹配，在入射声波导中的声偶模式通过此装置后会转换为出射波导中的声奇模式，这种单向转换进一步导致系统的声单向传输特性，在声集成二级管的设计和应用中有巨大的前景。最后，我们相信，我们在项目中取得的这些研究结果将会进一步扩宽声子晶体、声固体结构板的特性，为利用声子晶体、声固体结构板设计各种声学器件提供一些有益的指导。