基于共振型超表面的声波操控及应用

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近年来,一种具有亚波长尺寸的新型人工结构——声学超表面,因其新颖的声波调控机制和灵活的结构设计方法而受到了广泛的研究与关注,并展现出了广阔的应用前景。声学超表面具有结构轻薄、成本低廉、调控灵活等特点,有利于声学元器件的小型化和集成化发展。声学超表面的研究对未来声波的吸收与汇聚、声学成像及特殊波束的产生等均具有重要的意义。本文采用了基于亥姆霍兹共振腔的声学混合共振结构,在获得较为统一的高透射率的同时,也能够实现对透射声波相移的调控。通过对超表面结构单元的合理设计与排布,能够实现多种高效的声学元器件。具体研究内容如下:(1)提出了一种基于声学混合共振结构的聚焦透镜。通过对超表面结构单元的合理排布,实现了对声波的有效聚焦。由于结构单元沿透镜方向仅有十分之一个波长的厚度,因而可以提供较高的分辨率,实现突破衍射极限的聚焦效果。本工作从超表面透镜的数值孔径、焦距大小、入射角度等方面分析了对聚焦效果的影响,通过仿真对其焦距、焦斑大小及聚焦强度进行了计算。最后,针对共振型结构的带宽较窄等问题,提出了一种宽带的声学聚焦透镜,实现了较宽频带内的声聚焦。(2)提出了一种基于声学混合共振结构的声涡旋的产生器件。详细分析了通过超表面产生声涡旋的原理,并介绍了设计方法。通过共振型声学超表面实现了一阶声涡旋的产生,对其频率适用性及扇区排布方式进行了研究。随后,通过对超表面结构的半径及混合共振结构的数量进行合理设置,实现了高阶声涡旋的产生。最后,通过迭代算法对产生复合声涡旋所需的相位进行了计算,将相位离散化后加载到超表面上,以产生复合声涡旋。为了证实该种产生复合涡旋的方案的可行性,还通过该种结构对产生的复合涡旋场进行了实时解调。
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