低频声波的强指向性研究

• 作 者: 刘晓宙 全力
• 机 构: 近代声学教育部重点实验室,南京大学声学所,南京大学物理学院,人工微结构科学与技术协同创新中心,南京,210093
• 出 处: 2015年度全国检测声学会议
• 发表日期: 2015年12期
• 关键词: 声学超构材料 声学超构表面 等效阻抗边界

　　目的：超构材料是目前的一个研究热点，尤其是近十年来，随着材料科学的发展以及微加工技术的成熟，使人们能够在非常微小的尺度上对材料进行加工和设计。超构材料的出现，使人们能够自由地设计材料的原胞结构，从而实现了许多自然界材料不能实现的性质，比如负折射，反向多普勒效应，反向谐波激发等，使人们对材料科学的认识上升到了一个全新的高度。由于控制声辐射指向性的潜在应用，利用超构材料控制声辐射引起了人们的广泛兴趣，可望在医学超声，声无损检测等领域获得广泛的应用。方法：我们利用了中间留有一条细缝的两块刻有周期二维亥姆霍兹共鸣器的金属块，实现了高效的准偶极子辐射，并且其指向性能够保持在很宽的频段内。通过对金属块表面结构的优化设计，改变了其等效声阻抗率，从而获得了具有指向性的声波辐射效果，其物理机理是对不同方向的波失的裁剪，其高辐射效率是由于Fabry-Perot共振与中心细缝的波导模式相耦合而引起的。并且，我们还提供了采用有源超材料实现没有旁瓣的准直声束的方法。结果：由刻有亥姆霍兹共鸣器的金属块引起的偶极子辐射声场的辐射效率能够达到由不带有亥姆霍兹共鸣器的金属块引起的单极子辐射声场的辐射效率的相同数量级。虽然高效偶极子辐射是由于共振效果产生的，并且共振峰相对较窄，但是这里的传输共振仅仅是为了提高偶极子的辐射效率，对辐射指向性没有明显的影响，因此声波透过带有亥姆霍兹共鸣器的金属块后产生的偶极子辐射图案能够在较宽的频段范围内产生。如果入射声波的频率不在共振传输频率附近，那么偶极子辐射效果仍然会产生，只不过这时的透射率会很小。有源超构材料可以实现声波的准直辐射。结论：对材料表面等效边界的设计，可以有效调控辐射声波的指向性，从而获得偶极子辐射，四极子辐射和准直辐射等特性，而且获得这些辐射图案的辐射器的尺度远远小于波长。