【摘 要】
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声学人工材料（包括声子晶体和声学超构材料）进一步拓展了自然界中声学材料的弹性波性质,能够实现奇异而有趣的物理效应,如负折射、超分辨成像、声学隐身等。本文通过构建声学人工材料中的几种狄拉克锥形色散关系和透射型超表面,实现了声波的多种异常调控操作。本论文在第一章绪论部分主要回顾了声学人工材料的分类、相关研究背景、最新进展以及声子晶体中狄拉克锥形色散关系,并概述了本论文的主要研究内容。在第二章中基于不同
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声学人工材料（包括声子晶体和声学超构材料）进一步拓展了自然界中声学材料的弹性波性质,能够实现奇异而有趣的物理效应,如负折射、超分辨成像、声学隐身等。本文通过构建声学人工材料中的几种狄拉克锥形色散关系和透射型超表面,实现了声波的多种异常调控操作。本论文在第一章绪论部分主要回顾了声学人工材料的分类、相关研究背景、最新进展以及声子晶体中狄拉克锥形色散关系,并概述了本论文的主要研究内容。在第二章中基于不同材料参数的散射体组成的长方晶格声子晶体构造了两种类型的半狄拉克锥,实现了各向异性声传输。一种半狄拉克锥由单极子与偶极子模式偶然简并形成,且位于第一布里渊区中心,散射体为软材料。通过对该种半狄拉克锥等频面及等效参数分析,实现了声学“开关”、声波分束、单向波前整形及两种类型的声隐身。另一种类型的半狄拉克锥由偶极子模式和四极子模式简并形成且位于第一布里渊区角点处,散射体为硬材料。该半狄拉克锥实际上是由正方晶格中类狄拉克锥退化形成的,类狄拉克锥中的平带由于晶格对称性降低被劈裂成不同方向上的两条能带结构,基于此结构,从实验上验证了声学“开关”、声束拓宽、波前整形等现象。在第三章中基于二维声子晶体,通过在硬质基板上排布蜂窝状晶格的空气圆柱孔阵列实现了局域在结构表面的表面声波的声学赝自旋和拓扑相变。通过选取六个相邻空气圆柱孔作为一个超元胞,结合能带折叠理论构建了四重简并的双狄拉克锥。通过缩小或扩大超元胞内相邻单元间距,可以使双狄拉克锥打开为两个二重简并态,并形成完全带隙。通过对二重简并态对应声场分布研究发现能量沿顺时针方向或逆时针方向流动,从而构造了声表面波的赝自旋模式。超元胞内相邻单元间距由收缩到扩大的过程导致能带反转,系统从平庸态变为非平庸态,并伴随着拓扑相变。此外利用体态—边界态对应原则,通过拓扑平庸和非平庸体系的连接,在声子带隙中形成了边界态,构建了受拓扑保护的单向边缘声传输,最后通过模拟验证了此种声传输的背向散射抑制特性。在第四章中提出了一种新型超薄透射型声斗篷设计方法。该声斗篷由具有高透过率的相位调控超表面与近零密度的近零折射率超表面复合而成,实现了对任意形状障碍物的超薄隐身。声斗篷紧密地围绕在障碍物周围,其中相位调控超表面位于外层,近零折射率超表面在内层与障碍物相邻。近零折射率超表面相当于一个等相位面,能够引导着声波绕过障碍物传播;而相位调控超表面可以使声波垂直入射到近零折射率超表面然后控制入射波沿原入射方向传播,这样就可以实现声隐身。近零折射率超表面由方形迷宫结构组成,其能带结构第一布里渊区中心处有一条平带,通过等效参数验证发现平带对应频率下结构具有零折射率性质,周期排列后可作为近零折射率材料。相位调控超表面由镀膜型迷宫结构实现。最后,组装两种结构验证了该声斗篷对方形和圆形障碍物的透射型隐身效果。在第五章中设计了一种宽频超声栅,并基于超声栅提出了一种新的相位调控方法。超声栅由亚波长矩形波导组成。通过合理地设计矩形波导的参数,超声栅能够抑制0级衍射声波而将衍射声波集中在±1级衍射方向上。因此可以实现“声棱镜”功能,对混合频率声波进行分束。选取六个矩形波导作为“等效孔径”,通过对“等效孔径”间距的调节,可以在±1级衍射方向上得到覆盖0～2π的相位调控,且这个相位调控仅与超声栅参数有关而与声波波长无关,因此超声栅能在宽频带内调控声波轨迹,并将平面波转换为高斯声束。通过将超声栅旋转成二维圆盘型声栅,还实现了平面波对类贝塞尔声束的宽带转换。第六章中,对全文进行了总结并对未来工作进行了展望。
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