电磁波、光波的奇异调控实现和应用带来了科技上的重大突破,相应的奇异操控在其他波领域(如声波)的研究也成为热点。然而由于弹性波调控存在材料和模态转换等问题,利用传统方法对弹性波进行调控存在一定困难,现今对弹性波奇异调控的研究还不充分。薄板作为常用工程基本结构件,对其上传播的弹性波进行奇异调控有很大的应用前景,如固体中弹性波滤波器、单向传输设备(弹性波二极管)、能量控制、传感器等。本文基于薄板结构实现了固体中弹性波的滤波、折射、聚焦和非对称传输等功能的超表面设计,并进行了全面的数值模拟验证。具体内容如下:1.针对金属中的弹性SV波,设计了一种高质量的窄通带滤波器,该滤波器由具有微小间隙平行对齐的薄板组成。为了获得较好的性能,薄板应由质量密度和杨氏模量较小(与基体材料比较)的材料组成,如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。基于Mindlin板理论建立代表胞元理论模型,并用COMSOL Multiphysics进行数值仿真,理论和仿真结果相符,所设计滤波器透射谱在0 kHz-20 kHz频率范围内有多个接近完全透射的波峰。通过改变板的几何参数,可以很容易地调控这些峰值位置。因此,本设计可用于设计尺寸可控的滤波器。即使是千赫兹量级的低频,此滤波器的尺寸仍然可以限制在厘米量级。研究还发现,该设计适用于不同的金属基体材料,并从理论上解释了其原因。此外,还利用弹簧界面模型研究了薄板与基材界面结合(bonding)程度的影响。2.设计了基于薄板的固体中弹性波SV波调控超表面,该超表面由多层两不同材料连接的组合板组成。超表面的两端连接到弹性SV波传播的半空间固体。左半空间固体中的入射SV波在组合板中诱发弯曲波,然后传入右半空间固体中再次转化为SV波。通过调节组合板中两连接件长度,可以控制超表面各组合板中弯曲波的时延(time delay)。为了定量评价各组合板的时间延迟,基于Mindlin板理论,建立了分析SV波相位的理论模型。根据所提出的理论模型,可通过设计超表面中的各组合板参数来调控SV波传播。同时给出两种功能的超表面设计并进行了数值验证。3.将第2点中波调控方法向二维薄板拓展,设计了基于细长梁的薄板中弯曲波调控超表面。该方法利用多个平行排列、中性面与基板重合的组合梁构成的超表面来控制薄板中的弯曲波。超表面的组合梁由两不同材料组成的细长梁连接组成,两端与厚度相同的基板相连接。在保持组合梁总长度不变下,通过改变两个连接梁的长度可调控超表面各组合梁弯曲波的时延。为了定量分析各组合梁的时延,建立了基于Mindlin板理论和Timoshenko梁理论的分析透射弯曲波相位的理论模型。根据所提出的理论模型,弯曲波的调控可通过精心设计超表面上的各组合梁参数实现。为验证超表面的调控效果,给出了折射和聚焦功能的超表面设计并进行了数值验证。4.基于第2点中的弹性波超表面,将其与声子晶体结合,设计了一种用于固体中弹性SV波的非对称传输结构(ATS)。该ATS由折射功能的弹性波超表面和含方向带隙的声子晶体(PC)构成。其中超表面用于重定向入射波,而PC作为方向性滤波器。该超表面由多层平行的两不同材料的薄板连接组成的组合板构成。为验证该结构的非对称传输性能,对其展开了全面的数值模拟。结果表明,所提出的ATS提供了较宽的工作频带,且在正反方向的透射强度上存在一个数量级的差异。本研究为弹性SV波调控提供了一种新方法,并有利于微机电系统(MEMS)等多个常用薄板作为基本构件领域。