各向异性超常材料的声幻象结构

kaola1992

超常材料是一类具有传统材料所不具备超凡特性的新型人工结构，其表观物理性质只与材料宏观结构有关。由普通声学材料加工组合而成的声超常材料，等效物理参数动态范围大且可控强性，被广泛用于新型声学功能器件的研制。本文研究了以穿孔薄板为固体填充物的各向异性超常材料设计方法。以此为基础进行声幻象结构研究，在空气中分别实现了针对二维声场的幻象隐声衣和针对三维声场的全角度隐声毯，以超常材料制成的壳体控制目标物体的声学响应特性，在主动声探测系统中产生幻象。本文还进行了空气中的声透镜研究，利用超常材料透镜改变普通扬声器辐射声场特性。主要研究内容和创新点如下：（1）完善了基于穿孔薄板的各向异性超常材料设计方法。将分析多层微穿孔板隔声特性的传递矩阵法应用于声超常材料研究，与等效参数检索法相结合，建立低频条件下材料等效物理参数与穿孔板结构参数之间的联系，提高了利用检索方法由所需物理参数确定结构参数的效率。（2）实现了一种在回波探测系统中隐藏目标几何特性的二维声幻象结构。采用转换声学方法求得结构密度与体积模量，根据所需超常材料物理参数确定穿孔板结构参数。二维波导中的实验证实，频率为1500~2200Hz的声波入射时，覆盖声幻象结构的刚性四棱柱回波特性与平板相似，物体形态信息被成功隐藏。（3）实现了一种对所有角度入射声波有效的毯状声幻象结构，在半自由空间刚性边界处隐藏目标物体。用曲面穿孔板制作三维超常材料，在低频条件下近似实现所需等效物理参数。半消声室中实验结果显示，对频率在6500Hz以下的入射声波，该结构可以使地表凸起物体现出与平地相近的散射特性，有效降低目标物体对声场的扰动，欺骗主动探测系统。（4）研制了一种可产生高指向性声束的三维声透镜。透镜由穿孔板制成，径向折射率服从渐变折射率（GRIN）分布，轴向折射率与空气折射率接近一致。将普通扬声器置于焦点附近可在透镜另一侧形成波束。全消声室实验结果显示，对2600-3400Hz声波，透镜生成的波束具有很强的指向性，轴向衰减和径向相位差异明显小于扬声器辐射声场，有助于长距离定向传输声波。本文研究成果为以超常材料为基础的声幻象结构和声透镜研究提供了理论和实验依据，具有重要学术和应用价值。