声学超材料以及拓扑声学的研究

• 作 者: 向霄
• 机 构: 重庆大学
• 出 处: 重庆大学
• 发表日期: 2021年01期
• 关键词: 声学超材料 声子晶体 低频吸声 通风吸声 拓扑声学

声学作为现代科学的经典领域,在过去的25年里,有着巨大的发展。然而传统的自然材料对于声波的调控往往不易实现,并且有着诸多的限制。而在过去20年里,声学超材料器件作为一种人工构造的独特结构被研究者们提出,具备了很多自然材料所不具备的超常的独特性质,也为调控声波开辟了新的途径。在21世纪初期,通过包覆有硅胶层的小铅球,研究者首次实现了负的等效质量密度的声学超构材料,此后,提出了负的有效模量的声学超构材料以及双负声学超构材料。在此基础上,声学超表面,吸声超构材料,透声超构材料,声隐身,声学超分辨成像发展了起来,并与如医学,航空航天,电器等实际应用方面相结合。解决了一系列工业上的难题,例如低频降噪,通风降噪,医学超声成像以及航空隐身等一系列具有挑战性的工作。而随着作为与光子晶体类似的概念的声子晶体的提出与发展,声子晶体作为一种弹性模量与质量密度周期性调制的超构材料,通过在声子晶体中引入缺陷从而引起能带的缺陷,并使得研究者能简易的调控能带,从而精准的实现对声波的调控。而拓扑物理由于量子霍尔效应,谷霍尔效应以及自旋霍尔效应的奇特现象也备受关注。在玻色子系统中,也能实现类似的拓扑现象。然而光子晶体有难以制备,难以观测等问题,而声子晶体具有引入缺陷可控、结构易于制备、调控简易等特点,因此作为了一种重要的实验平台去实现和验证类似的拓扑效应,拓扑声学也成为了声学超构材料中一个重要的研究方向。在本文中,对于声学超构材料,主要研究了通风吸声超构材料。对于传统的低频吸声超材料而言,由于振幅相同时声波的吸收同声波频率的平方成正比,因此长波长的高频噪声,容易实现吸收,而对于低频的长声波的噪声,不仅难以被吸收,且随距离衰减率低。而在过去的十多年中,声学超材料的发展给声波调制带来了更多的可能。例如,为了克服传统的吸声材料在低频声波（95%）,同时保证了高效的通风性能（风速比>80%）。其机理是通过反对称分裂管谐振器极高的损耗导致吸收峰的简并。我们通过设计组合不同吸声频率的吸收器形成一种新的结构,该结构在保持高效通风的同时能对低频的声波实现宽带的吸收,并且这个宽频吸声带的吸收频率也是可被人为设计的。我们可以借此设计吸声窗,在保证通风与光照的前提下实现安静的室内环境。该材料的特性使得其未来可以在空调,汽车,航空等必须保证通风性能的结构上具有重要的降噪应用前景。同时我们关注到对于大多数声学超材料,一旦它们被制造出来,它们的工作频率和功能就无法再进行调整,这是实际应用开发时的重要障碍。尽管随着近二十年来超材料的发展,已经提出了一系列方法,例如电或磁控制。但是此前的这些研究只能解决在没有空气流通时的吸声结构的调控问题。已有一些具有较大传输损耗的通风超材料被提出,但这些超材料在本质上都是对声音的反射而不是吸收。因此,为了解决这些问题,我们提出了一种通风可调的吸声器,该吸声器在制造后可以在很大的范围内进行手动调谐。并通过模拟和实验证明了,在处于不同位置处时,具有高效吸声与通风。可调通风超材料在需要频率调节的各种复杂管道系统中具有潜在的应用价值,也为有源可调通风声超材料的未来发展奠定了基础。同时,在之前的通风吸声结构中,都只分别测量结构的吸声性能以及通风性能。而我们提出了一种新的实验方法,用于在通风的环境下测量吸声器的吸声效果。而对于拓扑声学,本文主要研究了一种构造第二类狄拉克点的必然简并的方式,发现声Dirac/Weyl节点附近的低能电子类似于无质量的相对论费米子。但是,由于不受洛伦兹不变性的限制,它们可以表现出Type-II型Dirac/Weyl倾斜的圆锥体能带,从而提供高度各向异性的物理特性和响应。最近,已经在几种量子和经典系统中观察到它们。但是,与对称性保证的Type-I型Dirac点不同,Type-II型Dirac更多是由于偶然简并造成的,因此目前为止仍然没有简单而确定的方式去实现它们。因此,我们提出了一种构造Type-II型Dirac点的能带折叠方案,并且我们使用了紧束缚模型来分析和揭示其普遍性和确定性。通过声学实验,Type-II型Dirac点通过实验可以可视化并使用近场映射对其进行研究。这种确定性方案构造的II型Dirac点可以作为一种物理学的平台,进一步研究与各种强烈违反Lorentz的节点有关的物理现象。