【摘 要】
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声学超表面是一种具有亚波长厚度的人工超薄结构,理论上能够实现对声波传播路径的任意调控,如异常反(折)射、声波聚焦、波形转换等。声学超表面的理论基础是广义斯奈尔定律,但是基于该理论设计的声学超表面,存在频率依赖性,具有较窄的带宽。五模材料凭借其优良的宽频特性以及与环境介质的阻抗匹配特性成为设计宽带声学超表面的解决方案。本文围绕着五模声学超表面的声波调控原理、五模微结构的设计方法及其声学仿真展开研究。
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声学超表面是一种具有亚波长厚度的人工超薄结构,理论上能够实现对声波传播路径的任意调控,如异常反(折)射、声波聚焦、波形转换等。声学超表面的理论基础是广义斯奈尔定律,但是基于该理论设计的声学超表面,存在频率依赖性,具有较窄的带宽。五模材料凭借其优良的宽频特性以及与环境介质的阻抗匹配特性成为设计宽带声学超表面的解决方案。本文围绕着五模声学超表面的声波调控原理、五模微结构的设计方法及其声学仿真展开研究。主要包括以下内容:一、首先以广义斯奈尔定律为理论依据,对五模声学超表面定向反射的基本原理进行了解析推导和理论分析,提出了反射五模超表面尺度设计的基本准则,设计了具有梯度分布物性参数的离散五模声学超表面,并采用COMSOL Multiphysics软件进行了水下声场的声波定向反射的仿真实验。仿真研究了入射波频率对五模声学超表面定向反射性能的影响,仿真结果验证了在宽频带内五模声学超表面可以实现异常反射现象,展现出五模声学超表面卓越的声波调控能力及调控的可靠性和准确性。二、建立了微结构五模声学超表面优化设计流程。首先,建立微结构的有限元参数化模型,以微结构的几何特征参数作为优化变量;然后,以离散超表面单元的密度和体积模量为优化目标进行五模微结构几何参数设计,采用均匀化理论计算微结构的等效模量和等效密度,从而获得具有特定等效密度和体积模量的五模微结构;最后,将微结构在面内周期延拓得到五模材料单元,将所有五模材料单元连接最终获得具有特定物性参数梯度分布的五模超表面。采用COMSOL Multiphysics声固耦合模块分别对五模材料单元的声学特性和微结构五模声学超表面的定向反射调控进行了仿真。本文的研究工作为五模微结构及其声学超表面的设计和物理实现提供理论参考。
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