基于非厄米声学超材料的宽带相干完美吸收

相干完美吸收只能在特定共振频率处或窄带实现完美吸收,这极大地限制了其在实际应用中发挥作用。近年来,非厄米调制和声学超材料的引入为复杂声波操控提供了全新的研究思路,并由此产生了许多在天然结构中难以实现的新颖的波与物质的相互作用。本文提出一种非厄米声学亚波长腔管耦合模型,理论推导并展示了相干完美吸收的演化过程。通过调控系统的非厄米参数实现了两个相干完美吸收的简并,简并处带宽平均因子为12.825,且在输出谱图上观测到与之相应的宽带完美吸收特性。本文工作为基于非厄米声学超材料实现宽带相干完美吸收提供了一种新的途径,同时也为开发用于宽带声吸收、声检测等工程应用领域的新型功能性器件奠定了理论基础。

魏荣爵先生(1916-2010)

魏荣爵先生,1916年9月生,湖南隆回人。1937年毕业于金陵大学物理系。1938年起,任教于重庆南开中学;1942年起,任教于重庆金陵大学理学院。1945年赴美国芝加哥大学学习,并于1947获美国芝加哥大学硕士学位;1950年获美国加利福尼亚大学博士学位,并任加利福尼亚大学研究员。1951年回国后,历任南京大学物理系主任、教授、博士生导师、声学研究所所长。1980年当选为中国科学院数学物理学部委员（现称中国科学院院士）。1998年被授予＂中国科学院资深院士＂。历任第三届全国人大代表,第五、六、七届全国政协委员。

声整流器

声音信号探测可以应用于医疗诊断等众多领域。然而．虽然电流和热通量等其他能量形式的整流器已被证明．但是声整流器却至今仍未被实现。基于“声二极管”较早期理论主张．我们首次实验证明了声波的整流能量通量。

管道中激光激发瞬态导波的理论研究

利用本征函数展开法详细讨论了有限长管道中导波的激光激发，给出了当四个相同能量的激光脉冲轴对称打在管外壁上时，管壁上各点振动的瞬态解，通过数值计算，给出了主要模式的瞬态波形，且从色散关系出发对瞬态波形的特征进行了定性解释。

声学宽带多焦点聚焦

针对声学宽带多焦点聚焦的问题,设计出结构简洁的声学人工结构。通过控制细槽深度,对反射声波的波前进行任意操控。数值仿真结果验证了所设计的声人工结构的聚焦效果。这种人工结构还允许对焦点的相对位置及数目进行精确而自由的调控,当尺寸大于波长的障碍物存在时仍可通过合理设计来产生聚焦效果。该方案具有设计简洁及焦点可控等优点,有望在生物医学及无损检测等场合产生广泛应用。

广义斯奈尔定律与声超表面

给出了广义斯奈尔定律的相关理论推导,并总结回顾了之前的几种设计,包括声人工结构表面和几种声超表面的案例。首先,以人工结构表面为例,以解析推导为主,结合数值模拟和实验结果,证明了人工窄井结构的异常反射现象。随后,我们回顾了声超表面的设计方法,包括折叠空间式和亥姆赫兹腔式两种典型的结构化设计。最后,我们重点回顾了一种厚度仅为1/20波长的声超表面,用于设计超薄声扩散体,称为声超表面施罗德扩散体。传统的施罗德扩散体是40年前提出的建筑声学领域的经典设计,而我们提出的声超表面施罗德扩散体在中心频率具有同样优质的漫反射效果。另外,通过混合不同目标频率的超表面单元,可以设计宽带的超薄施罗德扩散体,其带宽接近于商业化的施罗德扩散体,这个例子充分展示了声超表面在实际场合的应用潜能。

超声快速制备病理切片中的超声频率优化

报告了利用超声增强细胞膜通透性的作用实现超声快速制备病理切片的方法。实验比较了超声处理和常规处理两种方法制取的肝等病理组织切片,比较了在优化频率范围内选择200 kHz,400 kHz,600 kHz,800 kHz和1000 kHz五组超声频率作用相同肝组织样品制备病理切片的效果。结果表明超声方法可以在1h内完成肝组织切片,且品质较好,同时发现超声作用频率不同,完成肝组织处理的总时间不同,200 kHz和800 kHz频率完成肝组织处理的时间最短。引入液体环境中微气泡空化的理论模型,依据该模型数值模拟得到的最佳超声作用频率与实验结果一致。

利用对墙截面形状的优化来改善声学小房间的低频响应

提出了通过优化墙截面形状来改变声学小房间低频响应的优化方法。在矩形有限元模型中将墙面用不同的阶梯形状作为墙截面进行代换,并用于具有不同墙面的房间,进行了声场分析。阶梯形状间的差异仅是阶梯高度的取值不同,分别为相等、随机和优化值。将获得优化值的优化方法用于60Hz到120Hz的频率范围内,对不同阶梯墙面以及平墙面房间的频率响应进行了数值计算和比较。结果显示墙截面采用优化值时得到的房间频响最为均匀;将房间长、宽、高比例改变后重复上述数值分析,仍得到房间频响改善在优化情况下最大的结果。对比例较差的房间改善幅度可达4.5dB。另外还以半圆和三角形作为墙截面形状计算了半圆半径和三角形高度分别为固定值和优化值时房间的频率响应,同样得到优化墙面优于固定值墙面的结果。因此通过运用优化的墙截面来改善房间低频声场特性是有意义的。

单向声传播结构研究

受到电子二极管整流效应的启发,对单向声传播结构展开了一系列的理论与实验研究:将超晶格结构与非线性声学材料组合构成了可实现声整流效应的声二极管结构;通过将反对称弹性结构引入到复合结构板来产生Lamb波的不对称模式转化,设计了可实现Lamb波单向传播的线性声学结构;基于声子晶体的部分禁带特性,在有限尺度声学系统中设计并实现了单向声学波导结构;设计并实现了由纯板与声栅构成的声单向传播结构,具有小尺寸与高效率的特点,且声波出射角度可调;基于声学梯度材料设计了可在极宽频带内实现不对称声传播的声学结构。

二维三元周期复合结构的声带隙特性

研究了二维三元周期复合结构的声带隙特性.三元周期结构的组成为:基体+二元嵌入体,二元嵌入体的构成为:“硬”材料(有较大的密度和声速)柱体外包一层“软”材料(有非常低的密度和小的声速).由于声波在二元嵌入体环形区域的局部共振,而且环形区的密度很低且声速很小,使声带隙出现在较低频段.分析了“包层”材料特性以及复合材料的结构参数对禁带产生的影响.

基于Volterra级数快速设计AB类射频功放偏置电路

AB类是兼顾射频功率放大器线性度和效率的一种偏置类型,偏置电路对AB类功率放大器的性能有很大影响。为达到最优性能,通常偏置电路的参数需要通过多次试验来确定。本文提出了一种基于Volterra级数的优化设计方法,该方法利用Volterra级数和基尔霍夫电流定律(KCL),可以计算出兼顾放大器效率和线性的最佳输入偏置。由此可以在设计过程中快速确定最佳偏置参数,从而简化了设计和调测的过程。流片测试结果验证了这种设计方法的有效性。

单向纤维增强复合板弹性常数的反演方法研究

利用小波变换和人工神经网络技术,对激光激发单向纤维增强复合板产生的兰姆波信号进行分析,进而反演出单向纤维增强复合板的弹性常数。对小波变换和神经网络算法加以优化以提高反演结果的准确性,并分别对纤维方向和垂直于纤维方向的实验波形进行弹性常数的反演,两个方向的反演结果十分吻合。研究表明,利用该方法可直接从激光激发兰姆波的瞬态实验波形中反演出复合板的弹性常数,既不用事先知道兰姆波各模式传播的群速度,也不必采用传统的最小二乘法拟合色散曲线来反演弹性常数。

基于声学超材料的无源声学循环器的设计

近年来,新型声学器件的发展迅速,比如声学二极管的提出,类比于传统的电学二极管,实现了对声波的整流和非互易(或非对称)的声传播.随后,声学晶体管也被理论上设计和提出.作为新型的声学概念型设备,声学器件呈现了从简单的二端口向三多口甚至多端口的发展趋势(比如声学二极管到晶体管).另一方面,声学超材料是近10年来的热门研究话题.利用声学超材料的亚波长共振效应,可以实现丰富的功能,包括声学斗篷,声学幻像,聚焦透镜,涡旋场和任意波束形成.将超材料单元引入一个旋转对称的多端口系统,实现了无源的复杂声学网络中的声学路径操控.证明了当超材料提供了打破左右对称的附加波矢后,声学系统中只允许向右(或向左)传播.因此实现了声波只能逆时针传播(或顺时针)的无源声学循环器.解析分析了每个超材料单元对声波的偏转角度来预测声传播路线.最后,进一步将三端口循环器拓展到更多端口的情况.

补偿网络对Cascode结构放大器线性度的改善

宽带功率放大器是现代多频段无线通信系统中的关键器件.Cascode结构由于其良好的带宽特性以及输出阻抗特性,被广泛应用在宽带功率放大器的设计当中.带宽和线性是宽带功率放大器的重要指标.通常用RLC补偿网络可以增加Cascode结构功率放大器的带宽.本文提出通过选择合适的RLC补偿网络电路参数,使得晶体管处于良好的工作状态,可以实现在增加Cascode放大器带宽的同时,改善其线性度.从电路原理上分析了——补偿网络改善功率放大器非线性的原因,并利用Volterra级数方法计算了三阶交调截止点(IP3),证实了IP3可以改善3dB±.采用2μm InGaP/GaAs HBT半导体工艺流片后,测试结果表明,其3dB工作宽带扩展了1GHz(带宽从1.5GHz扩展到2.5GHz),IP3改善了3dB,与计算结果非常一致.

墙截面优化声学小房间低频响应的鲁棒性分析

改进了通过优化墙截面形状改善声学小房间低频响应的优化方法,实现了墙面阶梯形状宽度和深度同时优化。在60- 120 Hz频段对优化后房间频响随声源位置的鲁棒性进行了分析,并与未优化的房间比较。结果表明:对一个5×4．65×2．68 m3的小房间优化后,210个不同位置点声源所激励房间声场的频响标准偏差(SRD)平均值从未优化房间的9．66 dB下降为6．17 dB,频响最大偏离值(MD)平均值从未优化房间的41．27 dB下降为17．42 dB;SRD和MD值的标准差分别比未优化房间下降了44．8％和63．9％。证明了墙截面优化不仅能够使房间频响变好,而且小房间内频响对于声源位置的敏感程度也随着墙截面形状的优化而降低。通过运用优化的墙截面改善房间低频响应鲁棒性是有意义的。

动态集成电路的光声分层成像

利用压电光声技术，对处于工作状态的集成电路器件进行了光声分层成像。同时，在理论上研究了动态集成电路的光声分层成像机理，结果表明，动态器件的光声分层成像，不仅可以突出显示器件中某些一般不易观察到的亚表面结构，而且还可研究器件的工作原理以及分析器件动态失效的原因。显示了动态光声分层成像在半导体领域的应用前景。

交错结构的一维压电复合板的带隙研究

0引言弹性波禁带的存在是声子晶体的重要特征。过去的近二十年中,有很多关于复合材料和声子晶体中弹性波的禁带结构理论研究,以及关于存在声禁带的实验研究[1-8]。Chen[4]等严格计算了一维复合薄板中兰姆波能带结构。Hsu和Wu[5]运用平面波展开法研究了二维声子晶体板中兰姆波的声传播。

嵌入单元对周期结构声禁带形成的机理研究

研究了二维三元周期结构的声禁带加宽现象产生的物理机理.三元周期结构的组成为:基体(环氧树脂)+二元嵌入单元(橡胶包层和铁柱).通过计算嵌入单元对声波能量传输谱的影响,并与相应的二元周期结构的能带比较,发现声禁带加宽现象源于橡胶包层内某一频段声波的局域共振,理论与实验结果一致.

含气泡弱可压缩弹性材料的等效媒质法

声波在含气泡弹性材料中传播时不仅使固相介质产生形变,而且会使气泡非线性振动,据此建立了含气泡弱可压缩弹性材料的等效媒质法。利用等效媒质的微单元与含气泡材料的微单元具有相同的应力和应变,求得了含气泡材料的等效Lame系数,并得到了含气泡材料的非线性波动方程。其线性化结果与Gaunaurd的经典理论相比较,有很好的一致性。本方法还可给出含气泡弱可压缩弹性材料的另一重要参数——非线性系数。

基于BP人工神经网络的轴流风扇气动噪声预测

轴流风扇被广泛应用于如刀片服务器等机械设备的通风散热中,在工作时风扇旋转形成的湍流与自身以及固壁发生耦合作用,进而诱发气动噪声.湍流尺度极小,稳定性差,所以对气动噪声模型的数值计算需要耗费大量的计算资源.将人工神经网络与传统的数值模拟方法相结合,首先基于k-ε两方程模型求解纳维-斯托克斯方程得到轴流风扇的流场解,再通过FW-H声类比理论得到其声场解,然后对轴流风扇搭建人工神经网络模型,同时在声远场选取气动噪声声压级样本点,通过BP神经网络算法进行学习,最后利用训练好的人工神经网络模型对轴流风扇工作时的噪声场进行预测,实现了良好的预报效果.该方法可以有效节省计算资源,在工业上有一定的应用价值.