基于奇异介质的声波超散射体与新型隐身衣的设计与研究

摘要

本文中,作者利用声波奇异介质设计了两种新型的声学器件:二维声波超散射体和能对外部物体实现隐身的新型二维声波隐身衣。这两种声学器件所实现的功能都是以往各类声学器件所不具有的,而且能够找到很有趣的实际应用。本文工作基于的声波奇异介质(AcousticMetamaterial)是材料科学领域的较新成果,之所以“奇异”,就在于它实际上是一种人工调控的弹性复合结构,而该结构可以实现天然材料不具有的“奇异”材料参数,诸如负的各向异性的动态质量密度和负的体弹性模量等等。正是这些“奇异”的材料参数,使得我们可以设计出一些无论是在原理上,还是在功能上都大大突破了常规材料限制的新型器件。本文按照内容分为以下章节:
　　 第一章对奇异介质的研究和应用作了简单介绍。本章首先给出了奇异介质这一材料科学领域的新概念目前较为公认的定义,并介绍了电磁奇异介质的由来和应用,之后重点介绍了声波奇异介质的实现原理,同时通过将基于电磁奇异介质的器件的研究进展同基于声波奇异介质的器件的研究进展进行比较,指出相对于基于电磁奇异介质的器件的蓬勃发展,基于声波奇异介质的器件的设计和研究还有大量有意义的工作尚待进行,而且灵活借鉴基于电磁奇异介质的器件的研究进展可以方便基于声波奇异介质的器件的研究工作。
　　 第二章首先介绍了互补介质的概念,之后利用互补介质提出了名为声波超散射体的新型器件,该器件有效的声波散射截面可以大于其物理尺寸。声波超散射体的理论设计工作的关键在于推导超散射体所用奇异介质层的材料参数,本文通过将基于电磁奇异介质的器件设计领域常用的变换光学方法推广到声波情形来完成这一工作。本章同时给了二维圆形和二维矩形两种具体的设计方案,并利用有限元方法进行了数值模拟,模拟结果完全验证了我们的设计方案。本章最后提出了声波超散射体的一些具体应用方案,并讨论了其中的技术难点。
　　 第三章首先分析了传统声波隐身衣的设计方案,指出了被隐身物体不能接受外界声波这一缺陷,然后将电磁隐身衣领域的最新研究成果,利用“反物体”对隐身农外面物体实现隐身这一想法推广到了声波隐身衣情形,提出了可以克服这一缺陷的新型声波隐身衣的设计方案。具体的几何构型、材料参数推导和模拟方法均借鉴了第二章超散射体设计的已有成果,模拟结果充分展示该隐身衣设计方案的正确性。