基于声子晶体的高分辨率成像的影响因素与仿真结果分析

摘要

声子晶体作为声学超材料的典型代表，由不同材料按不同结构人工复合而成，其周期结构的布拉格散射和局域共振特性，使它产生了带隙，也是不同于传统材料的最大特点，为在军工业上的应用带来了新的思路，目前利用这种特性在减振降噪的应用研究也成了热点，带隙以外的通带部分具有非同寻常的色散特性，并且在某些频段具有负的有效弹性参数，使它具有了负折射特性，以及在此基础上的声聚焦现象，这就为今后的科学发展带来了许多新颖的声学传播效应，应用非常广泛，比如现代的海洋军工业器件的研究中，利用声聚焦可以实现高分辨率成像声呐，能够更好地在海洋军事上去探测和排查;或是现代医疗传感器上，声聚焦特性为治疗人类害怕的肿瘤提供了更为安全有效的方式，不过这方面的研究和应用还太少。所以声学聚焦技术的应用具有很大的技术优势和实用价值，利用声学超材料实现声波的聚焦是科技进步的趋势潮流，在科学器件研发等方面具有巨大的应用前景，探究它的理论原理并设计出有更高应用价值的器件是非常有必要的。
　　本文以声子晶体的弹性波动力学和多重散射理论为理论基础，推导了声波在声子晶体中传播的透射系数和压力场理论，设置二维的局域共振声子晶体平板为模型，结合上负折射特性，改变进入声子晶体中的一些物理量，从而研究声子晶体中的负折射成像影响因素，以及成像规律和特点，深入探究如何得到能量没有损耗的“完美成像”。其次，设计了二维三组元声子晶体具体模型，分析了平板成像中的散射波的会聚特征。发现在声子晶体中的负折射成像只有在一定的平板结构、材料组合、填充率、特定的声源位置和入射角大小中，声子晶体平板才可能对某些频率或频段的声波，形成负折射成像的特征。最后，利用COMSOL Multiphysics软件利用有限元法进行了模拟分析，得到光声信号通过透镜传输后的声场三维效果，以及二维传输特性曲线。在仿真结果中，都观察到入射波和出射波的波形基本接近不会丢失声源信息，将所有能量完全传输到像点，仿真结果与理论达成了很好的一致，这就是所探究的要实现的“完美成像”。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2研究背景及国内外研究现状

1．2．1研究背景

1．2．2国内研究现状

1．2．3国外研究现状

1．3本论文章节及内容安排

第二章声子晶体及其特性

2．1声子晶体简介

2．2声子晶体的特性及应用领域

2．2．1禁带特性及应用领域

2．2．2通带特性

2．3本章小结

第三章负折射成像机理

3．1弹性动力学方程

3．2边界条件

3．3二维二组元声子晶体能带结构计算

3．4本章小结

第四章多重散射理论

4．1多重散射原理

4．2等频线分析

4．3本章小结

5．1建立声子晶体模型

5．2．1填充率对成像的影响

5．2．2声子晶体厚度对成像的影响

5．2．3入射声波频率对成像的影响

5．3实现“完美成像”仿真与分析

5．4本章小结

6．1总结

6．2前景展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及取得研究成果

致谢