聲人工結(jié)構(gòu)中的水聲能流非對(duì)稱傳輸效應(yīng)研究.pdf

1、聲人工結(jié)構(gòu)（聲子晶體和聲超材料）中彈性波傳播特性的研究是近年來(lái)備受關(guān)注的熱點(diǎn)問題。本文主要從事聲人工結(jié)構(gòu)中水聲能流非對(duì)稱傳輸效應(yīng)研究。全文包含6個(gè)章節(jié)，除第1章緒論和第6章總結(jié)與展望外，主要研究?jī)?nèi)容涉及4個(gè)部分:1.聲人工結(jié)構(gòu)中聲傳播的相關(guān)理論和計(jì)算方法研究;2.一維流固超晶格全向入射帶隙特征、形成機(jī)制及其調(diào)節(jié)規(guī)律的研究;3.亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中的水聲非對(duì)稱傳輸效應(yīng)研究;4.徑向GRIN結(jié)構(gòu)中的水聲寬帶非對(duì)稱傳輸效應(yīng)研究。
　　1.聲人工

2、結(jié)構(gòu)中聲傳播的相關(guān)理論和計(jì)算方法
　　在第2章中，介紹了彈性波在聲人工結(jié)構(gòu)中傳播的相關(guān)理論;建立了流固超晶格全向入射二維聲傳播模型，推導(dǎo)了彈性波在一維流固超晶格中傳播的傳遞矩陣;概述了有限元方法的基本思想及其數(shù)值分析流程，利用有限元法分析了流固超晶格的聲全向入射問題，并驗(yàn)證了傳遞矩陣法推導(dǎo)的正確性，為一維流固超晶格帶隙特性的理論及其應(yīng)用研究提供了基本方法。
　　2.一維流固超晶格全向入射帶隙特征、形成機(jī)制及其調(diào)節(jié)規(guī)律的研究<

3、br>　　在第3章中，完善了一維流固超晶格全向入射帶隙特征、形成機(jī)制及其調(diào)節(jié)規(guī)律的研究。根據(jù)流固介質(zhì)的聲速關(guān)系，將流固超晶格進(jìn)行分類研究，比較了兩類超晶格各自的能帶結(jié)構(gòu)特征，并研究其相互演化規(guī)律;探討了流固超晶格全向入射透射譜帶隙形成機(jī)制;分析了參數(shù)對(duì)超晶格的全向入射帶隙特征的影響;揭示了流固超晶格厚度失諧的透射譜特征及其安德森局域化現(xiàn)象。
　　3.亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中的水聲非對(duì)稱傳輸效應(yīng)研究
　　在第4章中，設(shè)計(jì)了由一維周期性流固

4、聲柵和第Ⅱ類流固超晶格耦合而成的水聲非對(duì)稱傳輸亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，并分析了該亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水聲非對(duì)稱傳輸效應(yīng)的物理機(jī)制。研究表明，當(dāng)聲波以特定入射角度從聲柵結(jié)構(gòu)一側(cè)入射時(shí)，聲柵引起低頻聲波衍射，衍射波的波矢方向偏離入射波方向進(jìn)入流固超晶格的第一通帶，形成正向?qū)?當(dāng)聲波從第Ⅱ類流固超晶格一側(cè)以同樣角度入射時(shí)，入射波受流固超晶格低頻禁帶傳輸效應(yīng)的影響，無(wú)法激發(fā)固體板中的低頻S0模式，形成反向截止。數(shù)值計(jì)算表明，該亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)引起的正向和反向聲壓透射

5、比高達(dá)108;而結(jié)構(gòu)的整體尺寸和超晶格晶格常數(shù)分別為入射波波長(zhǎng)的0.6倍和0.128倍;此外，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)較寬頻帶范圍的聲波的非對(duì)稱傳輸效應(yīng)。
　　在上述基礎(chǔ)上，分析了亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)非對(duì)稱傳輸性能的調(diào)控作用。研究表明:流固超晶格晶格常數(shù)增大，反向截止效應(yīng)的上限頻率向低頻方向平移;超晶格固體填充率主要影響反向透射率，存在最優(yōu)的填充率使得反向截止效應(yīng)最大;聲柵柵格常數(shù)增大，正向?qū)ㄐ?yīng)的下限頻率向低頻方向平移;聲柵柵格填充率的改變

6、，對(duì)正向和反向透射率影響均不明顯，但柵格填充率為0或1的極值情況會(huì)導(dǎo)致正向透射效應(yīng)消失;此外，聲柵和超晶格結(jié)構(gòu)的耦合間距會(huì)引起正向透射率的波動(dòng)，選擇合適的耦合間距能夠提高正向透射系數(shù)。
　　此外，從實(shí)驗(yàn)角度證實(shí)了提出的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)具有明顯的非對(duì)稱傳輸效應(yīng)。水聲亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱傳輸效應(yīng)的研究為研制小型化和集成化水聲能流控制結(jié)構(gòu)奠定了理論基礎(chǔ)，具有潛在的科學(xué)意義及應(yīng)用價(jià)值。
　　4.徑向GRIN結(jié)構(gòu)中的水聲寬帶非對(duì)稱傳輸效應(yīng)研究

7、
　　在第5章中，研究了一種徑向GRIN結(jié)構(gòu)中的水聲寬帶非對(duì)稱傳輸效應(yīng)。該結(jié)構(gòu)徑向聲速剖面滿足分段線性函數(shù)，射線理論和有限元仿真表明該結(jié)構(gòu)具有很好的點(diǎn)聲源非對(duì)稱傳輸效應(yīng)。研究表明，該徑向GRIN結(jié)構(gòu)能夠?qū)?nèi)部點(diǎn)聲源發(fā)出的絕大多數(shù)聲線局域在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，而外部點(diǎn)聲源發(fā)出的入射聲線能夠進(jìn)入該結(jié)構(gòu)而不產(chǎn)生背向散射。此外，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)較寬頻帶范圍內(nèi)聲波的非對(duì)稱傳輸效應(yīng)，即使低頻射線聲學(xué)理論不再適用，依然可以實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱傳輸效果。進(jìn)一步，討論了