《基於超材料的新聲學》是2023年國防工業出版社出版的圖書。
基本介紹
- 中文名：基於超材料的新聲學
- 作者：Woon，Siong，Gan
- 出版時間：2023年1月1日
- 出版社：國防工業出版社
- ISBN：9787118125887
內容簡介,圖書目錄,
內容簡介
本書主要闡述了聲學超材料獨特而異常的聲學性質及其在聲隱身、隔聲、聲聚焦與成像、單向聲傳輸控制以及地震波防護等重要技術領域的套用，較為完整地闡述了基於超材料理念所形成的現代聲學新技術。主要內容包括：聲場的對稱性、負折射和聲學隱身、聲波在負介質固體內的基本傳播機理、人工彈性、人工壓電性、聲學二極體、能量收集與聲子結構、局域共振結構、利用聲學超材料實現時間反轉聲學控制、水下聲學隱身、地震超材料、聲學超材料在有限幅值聲波中的套用、曲線時空上的聲學成像以及人工相位變遷等。
圖書目錄
1 聲場的對稱性…………………………………………………………………….………………1
引言……………………………………….………….……………………………….…...1
聲波在固體中的傳播……………………………………………..……..…………….….2
線性波動方程的推導與求解……………………….…………………….…….2
線性聲波方程的對稱性與新應力場方程…………………….……….……….3
規範勢理論求解聲波方程……………….……………………………………….…..…..4
固體中聲波傳播的規範勢理論…………………………………………………..………6
平移對稱性…………………………………………………………………..….6
無窮小幅值聲波方程的共變導數介紹……………………………….………..7
大幅值聲波方程的共變導數介紹……………..………………………..……...8
局部旋轉對稱性………………………………………………………..……….8
聲學超材料的對稱性理論框架………………….……………………………..….……..8
旋轉對稱性與彈性理論……….……………………………………..…………9
局域規範不變性………………..………………………………………………..….…….9
共變導數………….……………………………………………………………..……….10
局域對稱性形式的各向異性……………………………………………………....……11
聲子結構設計中的聲場對稱性……………….…………………………………..…….12
Goldstone模式聲子………………..………………………………………………..…..13
湍流場的對稱性……………………...…………………………………………..……..13
聲學中的時間反轉對稱性………………………..…………....…………….…………15
參考文獻……………………………….…………………………………..……….…………15
負折射和聲學隱身………………………….…………………………………….…….……..17
引言………………….………………………………………………….…………..….…17
Veselago理論的不足………………….…………………….………….....…….……….18
概述……………………………………………………………………..………18
齊次電磁波方程的規範不變性………………………………………..………19
聲場方程的規範不變性…...…………………………………………...………20
聲學隱身………………………………………………………………..………21
非線性齊次聲波方程的規範不變性……………………………………..……22
作為坐標變換的特殊情況的負折射以及負折射與隱身的統一理論…..…....22
小結………………………….………………………………………………….23
利用多散射方法實現理想聲透鏡…………….…………………………………....……24
聲學隱身………………..…….……………………………………………………..……29
概述…………………..…………………....................................................…....29
轉換聲學的推導…..…………………………………………………...........….30
特殊實例的套用分析…….…………………………………………………….34
同時具有負質量密度和負體積模量的聲學超材料……….…………………………....35
基於非線性坐標變換的聲學隱身…………..…………….………………………..……39
水下物體的聲學隱身……………………………….………………………….…......….41
非線性聲學中的雙負性……………………….………………………………………....43
參考文獻………………………………………………………………………………......…..44
聲波在負介質固體內的基本傳播機理……………...…………………………………..……47
傳統固體中多散射的分析方法……………….…………………………………………47
多散射分析中的T矩陣…………………………………………………………..……..47
聲學超材料中多散射的T矩陣分析……….………………………………………..….49
導致局域負參數的低頻共振………………………………………………….……..…..50
具有局域負參數的聲學散射體…………………………………………….……………50
低頻極限處聲波的多散射…………….………………………………….……………...53
多散射效應：因子…………….……………………………………….……………...53
聲學超材料多散射的T矩陣分析方法的合理性………………………………………57
衍射…………….…………………………………………………………………………...57
負散射體單元的衍射………………...……………………………………………..…..58
負散射體衍射理論………………….…………………………………………………..59
衍射層析成像問題的描述………………………………………………..……59
負介質中衍射過程的建模……………………………………………………..64
數值仿真結果……………………………………………………………..……65
數值仿真中需要注意的問題………...……………………………..………….72
折射…………….…………………………………………………………………..……73
參考文獻………………………………………………………………………………...……..74
人工彈性…………….……………………………………………………………….………..77
彈性剛度和柔度……………..……………………………………………………...……77
應力場和粒子速度場的對稱性…………….…………………………………….….…..78
粒子速度場聲波方程與應力場聲波方程之間的對稱性…..……………..…..80
各向同性固體中應力場和粒子速度場的旋轉不變性….………………….………..….81
旋轉對稱性的特例：鏡像對稱性………………………………………………………..81
粒子速度場聲波方程的形式不變性………..………………………………………..….82
非線性齊次聲波方程的規範不變性……………..……………………………………...83
同時具有負質量密度和負體積模量的聲學超材料：人工彈性舉例…………..……..84
新的人工彈性場……………………...……………………………………………..……88
參考文獻…………………………………………………………………………………..…..88
人工壓電性……………….…………………………………………………………………....89
壓電性概述………...………………………………………………………………..……89
壓電本構關係…………….………………………………………………………………91
聲場方程與麥克斯韋方程的耦合………...…………………………………………..…91
用於壓電分析的增強型克里斯托弗方程……………………………………………….92
利用超材料設計聲學共振子…………………………………………………………….93
利用超材料設計聲波導………………………..……………………………….……96
用於二階相變的壓電性………………………………………………………………….98
人工壓電性………………………..……………….……………………………………102
人工壓電性的製備…………………………….………………………………………..102
參考文獻……………………………………………………………………………………..104
聲學二極體……………….………………………………………………………………..…107
基於超材料的非線性聲學……………………………………………………………...107
基本原理………………………………………………………………………107
利用非線性聲學超材料實現聲波衰減……..…………………………..……109
可實現單向聲傳輸的聲學二極體…………….…………………………………….….110
利用聲學二極體實現聲學成像……………………..………………………………….113
聲學二極體的理論框架…………………….…………………………………..………114
概述………..……………………………………………………………….….114
聲學二極體的物理機制……...……………………………………………….115
參考文獻……………………………………………………………………………………..122
能量收集與聲子結構……………...…………………………………………………………125
聲子網路技術套用概述……….…………………………………………………..……125
聲子晶體……..………………………………………………………………………….126
人工結構的彈性動力學……………….……………………………………….……….128
概述……………………………………………………………………………128
基本方程和原理………..……………………………………………..………129
從離散介質到連續介質：極限處理……………………………………….…131
進化與保守：微觀E.O.M.與變分原理…….……………………………..…134
矢量聲子的對稱性打破與極化……….…………………………………..….137
基於對稱性打破的彈性動力學小結………….……………………………...140
統一設計框架的發展：數學結構…………………………………………………..….141
概述……..……………………………………………………………………..141
免交叉和攝動理論的一般化……………...………………………………….143
非局域性之一：晶格效應及其相互作用……………………………..……..146
非局域性之二：晶格效應及其相互作用……………………..…………..…148
局域化原理：基於幾何層面的變分原理……………………………..……..150
群描述：非對稱性與Wyckoff定位………………………………………..…152
晶格分類：聲子結構的物理拓撲…………………………………………….153
聲子超材料色散關係的設計之一：交叉的迴避…………………………………..…..166
概述……………………………………………………………………………166
從晶體到“共振”超材料………………………………………………………167
介觀聲子超晶體：極化-特定譜帶隙………………………………….……..170
聲子超材料色散關係的設計之二：多波長非對稱聲子晶體…………………..……..171
概述…..………………………………………………………………………..171
整體對稱性：非對稱性和結合帶………..………………………………..…172
熱電學與熱導率的設計………………….……………………………………………..180
聲子超材料網路和信息處理…………………….…………………………………..…182
當前和未來的工作介紹與展望…………………..…………………………………….183
參考文獻……………………………………………………………………………………..184
局域共振結構……………..…………………………………………………………….……187
概述………………………………………………………………………………….…..187
聲子晶體研究背景…………...………………………………………………………....188
聲子晶體理論：多散射理論（MST）…………..………………………………….…189
計算過程………………………………………………………………………192
結果討論……….……………………………………………………………...192
利用多散射方法設計理想聲學透鏡……………………..………………………….…194
一般意義上的聲學超材料………....……………………………………………….…..199
基於彈簧質量模型的局域共振演示以及動態等效質量…………...…………………200
兩個共振點之間的等效質量的色散行為………….…………………….…..201
等效體積模量和共振的空間對稱性………….…………………………..….202
雙負質量密度和體積模量……………………………………………………203
膜狀聲學超材料………………...………………………………………………………203
法向位移分解及其與行波和凋落波模式之間的關係………..……………..204
膜共振子的等效質量密度與阻抗………………………………………..…..205
兩個耦合的膜共振子的等效體積模量及雙負性………..………………..…206
超解析度和突破衍射極限的聚焦…………….………………………………………..208
解析度極限和凋落波………..…………………………………………….….208
衍射極限的突破………..………………………………………………..……208
聲學超透鏡………...………………………………………………………….210
聲學超超透鏡……….……………………………………………………..….211
坐標變換………………...…………………………………………………….……….212
作為坐標變換特例的負折射以及負折射和隱身的統一理論………..……..212
聲學隱身…….…………………………………………………………..…….214
零折射介質…...……………………………………………………….………221
空間盤繞和聲學超表面……………………………………………………………….221
在小空間內形成大相位延遲…………………..…………………………….221
利用聲學超表面實現相位調製………………………………………..…….222
聲吸收………………………………………………………………………………….223
基於複雜局域共振結構的隔聲材料…………………..……………………..……….225
概述……….………………………………………………………….….…….225
隔聲…….………………………………………………………….…………..226
利用聲學超材料實現隔聲……….……………………………….…………..226
局域共振結構的建模方法……….…………………………….………….….229
局域共振結構的實驗方法……….………………………….………..………229
平面波測試………………………………………………………………..…..229
散射場測試……………………………...……………………………….……230
結果………………………..……………………………………………..……231
討論…………………..…………………………………………………….….231
小結……………..……………………………………………………………..233
一些新的研究方向與展望……………………...…………………………….……….233
彈性和力學超材料……………………………….……………………….…..233
聲學超材料的巨大潛力………………………….……………………….…..234
參考文獻……………………………………………………………………………………..235
利用聲學超材料實現時間反轉聲學控制…………………………………………...………243
時間反轉聲學的基本原理：聲場的時間反轉對稱性…………………..…………….243
時間反轉聲學的實驗實現………………………………………………….…………..244
非均勻介質中的超音波聚焦………………………….…………………….………….245
自適應時延聚焦技術…………………..………………………………..……245
時間反轉腔…………...…………………………………………………….…247
時間反轉鏡…………...…………………………………………………….…248
利用時間反轉鏡進行聚焦………………..…………………………………..248
時間反轉方法中的信號處理……………...………………………………….249
重複的時間反轉模式：自動目標選擇…………………………………..…..249
時間反轉聲學的一些實際套用…………………………………………………..…….250
利用遠場時間反轉實現電磁波的亞波長聚焦………………………..…………….…252
利用遠場時間反轉實現聲波的亞波長聚焦…………………….……………………..253
參考文獻……………………….……………………………………………………….……256
水下聲學隱身…………………………...……………………………………………………259
聲學隱身…………………………...…………………………………………………..259
傳播理論……………………………...………………………………………………..260
海面處的反射和散射………………………….…………………………………..…..261
海底處的反射和散射………………………….……………………………………....262
海底處的反射損失…………………………..………………………………………...262
Westervelt方程…………………………………………………………………………264
Westervelt方程的坐標變換…………………………………………….…….265
水下聲學隱身的實例…………………………...……………………………………..269
水下聲學隱身的基本原理………………….………….…………….……….269
水下聲學隱身斗篷的幾何結構…………………….………………..……….270
實驗過程………………………………………………………………………271
水下聲學隱身的套用…………………………………...……………….…………….275
參考文獻……………………………………………………………………………………..275
地震超材料……………………………………………….……………………………..……277
概述………………………...………………………………………………………..…277
基於電磁場隱身原理的地震超材料………………………..…………………..…….278
基於聲學隱身原理的地震超材料………………………………………………….…278
利用地震超材料降低地震危害……………………...…………………………..……279
轉換地震學…………..……………………………………………………….279
地震斗篷的實例……………………….………………………………………..……..281
基於超材料的地震波導……………………..……………………………………….282
地震波理論介紹………..……………………………………………….……282
負模量………………………………………………………………………...283
地震波衰減裝置……………..……………………………………………….286
參考文獻………………………………………………………………………………...…..287
聲學超材料在有限幅值聲波中的套用……………………………………………..………289
概述…………………...………………………………………………………………..289
聲學隱身………………...…………………………………………………………..…290
聲輻射力…………………...………………………………………………..…………291
在廣義相對論和重力場框架下利用聲學超材料產生懸浮力………………...……294
懸浮系統的建模………………………………………………………..……..295
聲學懸浮力的計算…………………………………………………………...296
結束語…………………………………………………………………………….……298
參考文獻……………………………………………………………………………………..298
曲線時空上的聲學成像…………………………….……………………………………….301
概述……………………...…………………………………………………………..…301
廣義相對論理論的常見套用……………………………………………….…………302
振動成像………………..…………………………………………………………..….302
彈性成像……………………..…………………………………………………….…..304
參考文獻…………………………………………………………………………………..…305
作為超材料理論設計關鍵基礎的輸運理論：人工相位變遷………….…………………..307
輸運理論、輸運特性與人工相位變遷…………………………………………..……307
超材料的人工相位變遷本質與相位變遷臨界點處超材料輸運特性的奇異行為…………………………308
利用輸運特性探索超材料的新形式………………………………..………..……….310
人工彈性…………………….……………………………………………..….311
人工磁性………………………………………………………………………311
人工高溫超導性………………..………………………………………….….311
人工壓電性……………...………………………………………………….…312
人工鐵磁性………………………………………………………………..…..312
超材料概念對人工材料領域的突破……………………………..…………….……..312
結束語……………………………………………………………………………….…313
參考文獻……………………………………………………………………………….…….313
