基於超材料的新聲學

《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

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