聲學超穎材料與聲子晶體

內容簡介

在很多技術領域，聲子晶體和聲學超穎材料已經和正在引起廣泛的研究興趣，從聲學抑制到超聲成像，從通信技術到熱控技術再到熱電學，這些領域正在積極引入這一新理念。聲子晶體和聲學超穎材料是一類人工複合材料，它們可以對振動波的散射特性進行有效操控。

聲子晶體由散射體和基體組成，前者以周期分布形式嵌入到基體中，主要通過布拉格散射來控制波的散射特性，這種布拉格散射一般要求散射體的尺度和周期參數與波長位於同一數量級。聲學超穎材料則具有局域共振這一額外特徵，儘管一般也設計成周期結構形式，然而它們的特性卻並不依賴於此。這種材料的結構尺度可以顯著小於所調控的波長，其機理在於局域共振可以導致負的有效動態密度和體積模量，並由此產生非同尋常的散射性質。無論是通過布拉格散射機理還是局域共振機理來影響波的散射，這兩種材料都能在譜空間、波矢空間和相空間展現出大量特殊的波傳播特性。

例如，在特定條件下，它們可以產生聲學絕對帶隙，在這些帶隙中任何方向上的波都會被完全抑制。再如，對於包含有缺陷(點、線或面缺陷)的聲子晶體和聲學超穎材料而言，還存在著波傳播模式的局域化現象，從而使得帶隙內的譜特徵發生分離，這一行為可以套用到多個方面，如頻率篩選、波導向、波長多路復用和分解等。在波矢特性方面，當波的群速度(能量傳播速度)與波矢方向相反時，通帶中可以產生特殊的折射特性，如負折射現象。該現象可以用在平透鏡中從而實現波聚焦。一定條件下，這些材料還可以實現凋落波的放大，從而突破瑞利極限，獲得超高解析度影像。此外，具有各向異性能帶結構的聲子晶體和聲學超穎材料還能夠發生零角度折射，因而可用於波導向和自準直(而不必引入線缺陷)。某些特定頻率下，聲波的相位也可加以控制，其主要機理在於波矢與群速度是不共線的，從而可以產生相位移動。最近，聲子晶體和聲學超穎材料的研究已經開始突破連續介質線彈性理論這一範疇，將一些強非線性聲子晶體結構考慮進來，並開展了對顆粒狀介質、阻尼效應、黏彈性效應、主動介質以及離散型非諧波晶格等方面的研究。由強非線性介質構成的聲子晶體結構能夠表現出線性結構所不具有的特殊現象，如孤立波、分岔和能帶可調性等。此外，能帶結構的可調性也可通過具有混合特性的介質來獲得，如聲-光介質或聲-磁介質等。

而阻尼耗散對於波傳播來說是具有抑制效果的，因而也可用於能帶結構的控制。應當指出的是，聲子晶體和聲學超穎材料的研究非常注重實驗與理論的聯合分析，只有這樣才能達到二者之間的相互補充和相互驗證。本著對聲子晶體和聲學超穎材料濃厚的研究興趣，我們試圖在本書中對一些基本概念進行介紹，採用簡潔的模型來幫助讀者更好地理解這些材料的行為。我們歸納了已有的研究結果，較為全面地展現了本領域的研究現狀，並介紹了一些前沿研究熱點，給出了近期的一些研究進展。書中各章是由本領域的一些先驅者和一些嶄露頭角的年輕學者來撰寫的。我們力圖將這些章節的內容協調起來，並使理論和實驗之間達成一種平衡(如果可能的話)。全書按照一條主線來安排，該主線建立在一個簡單模型基礎之上，即一維彈簧-質量鏈模型。第1章給出了本領域的研究現狀(儘管還不夠全面)，主要按照年代順序來介紹。第2章介紹了一些基本概念和工具，這些對於理解聲子晶體和聲學超穎材料的特性是必需的。其中特別對周期結構的散射作用和局域共振作用進行了對比。第2章中，為了模擬複雜結構中的波傳播，我們採用一維諧和鏈進行了分析。這個簡單的模型也將會在其他章節中多次出現。第3章分析了一維聲子晶體(超晶格)的振動特性，既包括離散介質結構，也包括了連續介質結構。然後還將相關文獻中給出的理論結果與實驗結果進行了比較。第4章考察了二維和三維聲子晶體，給出了實驗分析和理論分析方法，闡明了聲子晶體的譜特性和重要的折射特性，其中特別介紹了負折射現象。第5章分析了聲學超穎材料，其獨特物性是由動質量密度和體積模量決定的。第6章到第9章介紹了聲子晶體與聲學超穎材料研究領域中的一些新方向。其中：第6章介紹了包含耗散介質的聲子晶體方面的研究；第7章是關於強非線性介質構成的聲子晶體；第8章則考察了一些特殊的介質，它們能夠使得相應聲子晶體的能帶具有可調性；納米尺度下聲子晶體所展現出的豐富特性在第9章進行了論述，並解釋了原子間作用力的非諧性。最後，在第10章中我們給出了聲子晶體和聲學超穎材料研究中常見的各種理論方法和計算手段，目的是為其他章節提供支撐。我們希望本書能夠激勵更多的學者對聲子晶體和聲學超穎材料這一領域產生興趣，並為他們的研究提供應有的幫助。

聲學超穎材料與聲子晶體

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