声学超材料基础理论与应用

本著作系统阐述了声学超材料的基本概念、研究发展历程与发展趋势，以及靠前外研究概况；详细介绍了声学超材料研究涉及的声学、物理学、力学等方面的基础理论与分析方法；讨论了声学超材料的低频弹性波带隙、反常吸收、负折射、反常增透等超常物理效应的特性、内涵及产生机理；系统总结了近年来声学超材料在振动与噪声的控制、新型声隐身技术以及声学功能器件等技术领域的应用探索成果。

   前言

上篇 基础理论

第1章 声学超材料概述 3

1.1 引言 3

1.2 声学超材料 3

1.2.1 声子晶体 4

1.2.2 左手材料与电磁超材料 5

1.2.3 声学超材料的概念及基本特征 8

1.2.4 声学超材料的主要研究内容 10

1.2.5 研究意义 11

1.3 声学超材料的研究历程与发展趋势 13

1.3.1 理论研究 14

1.3.2 结构设计与制备 15

1.3.3 应用探索 18

1.3.4 声学超材料研究的发展趋势 20

1.4 国内外研究概况 21

1.4.1 国外研究概况 21

1.4.2 国内研究概况 26

1.4.3 研究概况小结 32

1.5 前沿动态 33

1.5.1 非线性声学超材料 33

1.5.2 声学超表面 34

1.5.3 声学黑洞 37

1.5.4 零折射率声学超材料 39

参考文献 40

第2章 声学超材料理论基础 54

2.1 引言 54

2.2 弹性动力学基础 54

2.2.1 形变、位移与应变 54

2.2.2 力与应力 57

2.2.3 运动方程与本构方程 58

2.2.4 频域响应 61

2.2.5 弹性波与声波 62

2.3 弹性波传播的能带结构分析 63

2.3.1 晶格理论 63

2.3.2 Bloch定理与能带理论 65

2.3.3 一维离散周期系统的能带结构 68

2.3.4 二维连续周期系统的能带结构 76

2.4 弹性波传播的等效介质分析 82

2.4.1 参数反演分析 82

2.4.2 能带结构分析 87

2.5 弹性波能流传输分析 90

2.5.1 弹性波能流密度矢量 90

2.5.2 弹性波的群速度、相速度与等频率面 91

参考文献 96

第3章 声学超材料的主要特性 98

3.1 引言 98

3.2 声学超材料的低频带隙效应 98

3.2.1 声学超材料带隙的基本特征 99

3.2.2 声学超材料带隙的形成机理 103

3.2.3 声学超材料带隙的主要影响因素 106

3.3 声学超材料的超常吸声效应 109

3.3.1 球形局域共振结构的吸声特性 110

3.3.2 柱形局域共振结构的吸声特性 123

3.4 声学超材料的负折射效应 130

3.4.1 声学超材料负折射的基本特征 131

3.4.2 声学超材料负折射的形成机理 135

3.4.3 声学超材料负折射的主要影响因素 138

3.5 声学超材料的表面反常效应 140

3.5.1 声学超材料表面反常效应的基本特征 141

3.5.2 声学超材料表面反常效应的形成机理 143

3.5.3 声学超材料表面反常效应的主要影响因素 145

参考文献 148

下篇 应用探索

第4章 声学超材料的声隐身应用 153

4.1 引言 153

4.2 声学坐标变换设计理论 153

4.2.1 声波方程的坐标变换 154

4.2.2 圆柱形声隐身超材料设计 159

4.2.3 椭圆柱形声隐身超材料设计 161

4.2.4 任意形状的闭合声隐身超材料设计 163

4.2.5 声幻象及地毯声隐身超材料设计 165

4.3 声隐身超材料的声学特性分析 167

4.3.1 声隐身超材料的多层介质模型 167

4.3.2 声隐身超材料的影响因素及规律分析 176

4.4 声隐身超材料的结构设计 186

4.4.1 声隐身超材料的材料参数约束分析 186

4.4.2 惯性隐身超材料 188

4.4.3 五模隐身超材料 190

参考文献 196

第5章 声学超材料的减振降噪应用 199

5.1 引言 199

5.2 轻质结构低频减振设计 199

5.2.1 轻质结构减振的概念、意义 199

5.2.2 基于声学超材料的轻质结构设计 202

5.2.3 减振特性分析 206

5.2.4 实验测试与验证 211

5.3 薄膜型声学超材料的低频隔声设计 216

5.3.1 隔声的基本理论与概念 216

5.3.2 薄膜型声学超材料的低频隔声现象及机理 217

5.3.3 薄膜型声学超材料的隔声特性调控规律 224

5.3.4 薄膜型声学超材料的隔声特性实验研究 234

5.4 基于声学超材料的管路噪声控制 241

5.4.1 传统管路噪声控制理论与方法 241

5.4.2 基于超材料的管路低频隔声设计原理与设计方法 243

5.4.3 隔声性能仿真分析 247

5.4.4 实验测试与验证 253

参考文献 257

第6章 基于声学超材料的新型声学功能器件设计探索 262

6.1 引言 262

6.2 声学超材料声透镜技术 262

6.2.1 声透镜的概念、意义 262

6.2.2 单负参数声学超材料透镜 264

6.2.3 双负参数声学超材料透镜 270

6.2.4 各向异性声学超材料透镜 273

6.3 声学超材料声整流技术 277

6.3.1 声整流的概念、意义 277

6.3.2 基于零折射率超材料的声整流 278

6.3.3 基于声波反常透射的声整流 282

6.3.4 基于声学梯度材料的声整流 287

6.4 声学超材料定向声发射技术 290

6.4.1 定向声发射的概念、意义 290

6.4.2 基于声表面波模式调制的定向声发射 291

6.4.3 基于界面声阻抗调制的定向声发射 297

参考文献 303

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