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创新人物

声能量损耗在实际声学器件中一直存在,并获得与自然材料声学特性迥然不同的声学超构介质

17 4月 , 2020  

小编校近代声学入眼实验室刘晓峻讲师课题组在声学人工超构介质媒质对声场的调节地方得到着重进展,相关钻探成果以《基于人工Mie共振的超萧疏声学超表面及低频声波强反射》(Ultra-sparse
meta三星GALAXY Tab for high reflectionof low-frequency sound based on
artificialMie
resonances)为题于二〇一五年五月1日在线发布在国际权威学术杂志《自然·质地》(Nature
Materials,,
DOI:10.1038/nmat4393)上。程营副教师为随想的第一作者,刘晓峻教师为杂文的报纸发表我。

自家校物理高校声学钻探所刘晓峻讲师课题组在拓扑声子晶体商量方面取得进展,他们在声子晶体中窥见声学旋转多极子形式,並且成功组织无流体背景场中的声拓扑绝缘油,相关研商成果以《Topological
creation of acoustic pseudospin multipoles in a flow-free
symmetry-broken metamaterial lattice》 为题于二〇一七年7月一日登载于Physical
Review Letters[Z. W. Zhang et.al, Phys. Rev. Lett. 118, 084303
]。故事集第一小编为二零一五级博士博士刘传江旺,程营副教师为散文的联合通信小编。

当声波在亚波长尺寸管道中传来时,由于管中设有速度梯度,媒质质点间的粘滞摩擦以至热传导效应会带来声能量的消耗。声能量损耗在实际上声学器件中央行政机关接存在,一时依然会严重破坏器件所预期的法力。在后期声人工构造的设计中平日选用较宽的管道等办法来尽量减弱布局中的粘滞因子,到达超级小仍旧可被忽视的能量消耗。作者校物理科学与工程大学、东京市特殊人造微构造材料与手艺首要实验室李勇研讨员,通过与佛蒙特州立高校景云助教和Duke大学史蒂文A.
Cummer教授等课题组的国际学术合营,经过深刻的申辩探究和尝试钻探,在损耗型声学超构表面研商获得突破性进展,提议并落到实处了声能量非对称传输效应的新章程和新器件。
李勇钻探员领导协会,通过引进合适粘滞的逆向设计思路,建议了损耗型声学超构表面包车型大巴定义,利用三维打字与印刷技术制备了损耗型声学超构表面样板,在试验中落实了声能量的非对称传输效应,这种现象源于崭新的情理机制:
超表面中的相位调制和周期调制二种机理对损耗因子的两样反馈:当声波做左侧入射时,入射能量可恣心所欲通过超表面构造,完毕声学导通态,如图1右边中呈现,透射区存在数值相当大的声压和声能
遍布;当声波从左边入射到超表面,合理的损耗机制会完全耗散入射能量,产生声学停止态,如图1左方所示,透射能量可忽略。与事情发生前的连锁系统通需求七个例外成效器件相结合的复杂布局相比较,基于损耗机理的超构表面具备协会轻松、亚波长厚度、平面特性、以致可经过旋转样本调整透射性质等优势。调整损耗可为声学超构材质和超构表面包车型客车安顿性提供了全新的自由度,有十分大希望设计完毕一体系新的声学现象和声波调整方式。

以小尺寸结构有效调节大波长低频声波是声学研商中的难题。这几天,超构媒质的概念被引入至声学研究中,大家发现经过组织具备极度功用的人造单元来效仿分子对声场的响应,能够在亚波长尺度等级次序上产生对声波的坚定不移调制,并获取与自然材质声学天性迥然分歧的声学超构媒介物,具备宏大的选取前景。前段时间,声学超构媒质的布署基本上基于LC共振单元,存在消耗高、布局复杂、特异性质有限等不足。近些日子的说理商讨开掘,通过将声学“软”质微共振单元嵌入到“硬”质基体材质中得以收获声学Mie单极子和偶极子,进而构造出高品质新型声学超构介质媒质。不过该考虑的试验完结受到软微粒在紧凑流体媒介物中央银立竿见影寿命短、形态牢固性差、难以法则排列等节制。极其是大自然中尚不真实声速较空气低比相当多的安静流体,影响了Mie共振单元在气氛中声传出的行使。

电子的自旋-轨道耦合带来了重重精神奋发的情景和首要的使用,包涵拓扑绝缘油和自旋电子学。量子霍尔效应以至量子自旋霍尔效应都信任于电子的自旋属性,然则对于声波来说,其纵波振动的本色引致一纸空文天然的自旋属性,由此实现声学拓扑态有必然的不方便。商讨者初叶研商在古板的卓绝波系统,如声学系统中,是或不是会见世与自旋-轨道耦合相同的类量子效应,借使存在此种成效,又会拉动怎么着的误导。近些日子,有化学家提议使用背景流速场实现声形似量子霍尔效应,或布局耦合环形波导结构完结声相通量子自旋霍尔效应的辩驳方法以致实验求证,不过出于复杂的结构必要以至好数倍波长的晶格尺寸须要,使得那几个方法在规划和骨子里利用上有很灾殃度。

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刘晓峻教师课题组建议了选择高对称性折叠空间协会中低有效声速效应来营造具备相当慢声速的流体微单元,并通过3D立体成型本领创建了高水平的人造Mie共振单元,系统地开展了差异温度、气压条件下Mie共振情势激发、等效参数反演和声场调节质量测量试验等工作。研究结果证明,该单元可实用刺激刚强的声学Mie共振,并且展现出丰硕的单极子、偶极子、四极子、八极子等一文山会海杰出的Mie共振方式。进一步的钻探结果表明,单极子Mie共振能够发生负的有效人体模型量,而偶极子Mie共振则会实现负的灵光动态品质密度。利用该单负材质本性,课题组创设了一种亚波长厚度、大单元间距的超抛荒超表面,成功获得了低频声波的强反射效果,为突破古板声学理论中低频隔声须要大厚度、无间距、高密度固体层的范围提供了一种新措施。

依靠优秀声学理论,守旧的声学多极子形式(举个例子偶极子以致四极子),声波能量向定点方位向外辐射,不恐怕造成相符自旋的团团转声场。刘晓峻教师课题组提议了在无流速背景的超材质声子晶体中协会声学赝自旋偶极子和四极子形式,并达成可调节声波拓扑传输的遍布性理论方法。首先,对蜂窝状晶格声子晶体的初基原胞旋转30度并扩充,使得蜂窝状晶格变为由七个单元构成的超元胞组成的三角形晶格,通过能带折叠理论产生双狄拉克锥。然后,在维系全数单元不改变的气象下仅依靠收缩可能增加超元胞内各单元的间距,能够打破双狄拉克锥造成带隙。探讨开掘,在带隙周边的声压场分布显示出肖似于电子p/d轨道的酌盈剂虚情势,而平均声强沿顺时针或逆时针旋转,即发生了差距于古板声学多极子模态的卓有作用声学赝自旋偶极子和四极子。切磋更是开采,收缩超元胞内单元时晶体能带显示平庸态,即赝自旋偶极子格局频率坐落于赝自旋四极子形式之下,与古板声学理论一致;而扩展超元胞内单元间隔时赝自旋偶极子形式频率跃居赝自旋四极子方式之上,为非平庸态(nontrivial),从平庸态到非平庸态注脚发生了能带反转。在平庸态晶体和非平庸态声子晶体之间的边际上能够形成声赝自旋与传输轨道相耦合的声拓扑边界态,区别赝自旋态之间的界限态传输未有扰乱,何况经过调节和测验超元胞内单元的区间可以落成可调整的、跋扈形状的拓扑边界。同有的时候间,这种拓扑边界态具备背向散射制止技艺以致很好的鲁棒性,拓扑边界上的空腔、冬日排列以至卷曲等短处不仅仅不会唤起背向散射,并且不会转移边界声传输的自旋态。这种发生声学赝自旋多极子情势的普及性方法还足以进一层拓展到气-液、固-液、固-气等两种为主的声学种类中。

图1 损耗型声学超构表面包车型地铁声能量非对称传输效应

图1:单元可发生空气声学Mie共振情势的场分布。a-e,人工单极子、偶极子、四极子、八极子和第二单极子情势。第一/二行所示为声压/相位场分布,第三行箭头所示为等效物理模型中的位移遍布,第四行所示的远场情势与场布满一致。

该项职业赢得国家首要实验商讨安排(二〇一二CB921504)、人工微布局科学与工夫联合改良中央、国家自然科学基金和西藏省级杰出付加物良青年基金的援助。

最新研商成果”Tunable Asymmetric Transmission via Lossy Acoustic
Meta苹果平板s”于二零一七年八月八十二十六日登载在物理课程国际第一级期刊Physical Review
Letters [Phys. Rev. Lett. 119, 035501
(2017)]。李勇研讨员是舆论第一小编,同济是舆论的首先单位,Duke高校沈宸大学子是舆论的联合具名第一小编。该项职业取得同济“青年百人布署”科学切磋运转项目标支撑。

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图1:转换前后元胞的首先布里渊区。布里渊区折叠进度。能带折叠过程。超元胞组成的三角形晶格色散图上产生双狄拉克锥。

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图2:通过减少和扩充超元胞内单元间隔打破双狄拉克锥产生带隙。p/d轨道反转,即能带产生反转。赝自旋向上、赝自旋向下相应的声强布满。

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图3:拓扑边界赝自旋向下态沿边界顺时针传输。在乱序、盘曲以至空腔苦恼下声波的拓扑边界传输具备很好的鲁棒性。

(物理高校 科学技艺处)


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