基于多极子Mie共振的含包膜气泡水中新颖声学效应研究

Due to the Minnaert resonance effect, bubbles in water have a significant influence on acoustic wave propagation in water. However, the bubble in water has short effective life and poor morphological stability, an enveloped bubble is used instead. Coupling resonance, agglomeration effect and multi-pole-Mie resonances of bubbles can modulate the sound propagation effectively. This project has fully considered the bubble envelope parameters, thermal viscous dissipation, bubble volume fraction, bubble radius and spatial distribution, and scatter shapes of water with enveloped bubbles. By studying the Minnaert resonance of a single enveloped bubble, coupling resonance and agglomeration effect of bubbles, and multi-pole-Mie resonance characteristics of an enveloped bubble group, the bubble dynamics equations under the corresponding conditions were established. Then, the model, experimental system and test data are verified by means of numerical simulation, experimental testing and statistical analysis, so as to realize the construction of underwater acoustic scatter with enveloped bubbles and its effective regulation of acoustic waves in water. The target product is simple in structure, highly sensitive and easy to realize. Multi-pole-Mie resonance of acoustics is able to overcome the limitation of inertial resonance and break through the limitation of traditional acoustic scale due to its strong acoustic interaction, providing a new thinking mode for sound field regulation and the realization of novel acoustic effects.

水中气泡由于Minnaert共振效应对声波在水中的传播产生显著影响。但气泡在水中有效寿命短、形态稳定性差，故用包膜气泡代替之。包膜气泡群中气泡的耦合共振、团聚效应以及多极子Mie共振能对水中声传播进行有效的调制。本项目充分考虑气泡包膜参数、热粘性损耗、气泡浓度、气泡半径及空间分布、含包膜气泡水散射体形状等各项影响声传播特性的参数，通过对单包膜气泡Minnaert共振特性研究、气泡群耦合共振和团聚效应研究，以及包膜气泡群多极子Mie共振特性研究，建立相应情况下的气泡动力学方程。进而利用数值仿真、实验测试及统计分析手段对所建立的模型、实验系统和测试数据进行验证，以实现含包膜气泡水声散射体的构建和其对水中声波的有效调控。目标成果结构简单、高灵敏、易实现，声学多极子Mie共振具有超强的声波相互作用，可以克服惯性共振的局限，突破传统声学尺度的限制，为声场调控和新颖声学效应的实现提供了新的思维模式。

利用声学特异性散射体，结合散射体间的耦合共振是实现声波特异调控的有效手段，具有丰富的物理内涵和应用前景。项目执行期间，研究团队通过系统的理论分析、数值模拟和实验测量，1. 建立了有效描述水中气泡有效声学参数与其几何结构、数量之间定量关系的物理模型，揭示了其中一系列新颖的宽带调控效应的工作机理，实现多极子Mie共振体系对声波透射强度、相位的参数调控；2. 建立了宇称时间对称下基于FP共振的声波单向透射物理模型，揭示了声学材料增益因子、损耗因子及耦合强度对特殊点的影响，为新原理声学器件的实现奠定了基础。具体内容包括：研究基于多极子Mie共振的水中气泡有效声学参数与其几何结构（周期性结构和随机结构）、数量之间的定量关系；研究基于宇称时间对称的声学超表面对声学杂质的屏蔽作用机理；研究基于宇称时间对称的声学异质结在特殊点处的声波单向透射及偶然双向透射的工作机制；研究利用非厄米FP共振实现阶跃型等振幅声波传输的物理机制及器件实现。本项目发展了利用声学多极子Mie共振及声学宇称时间对称对声波传输、散射、吸收等方面进行超常规人工调控的方法，在多种声学结构的设计、制备和相关新原理声学功能器件集成等方向取得了多项具有原创性的成果，不但丰富了声学学科的基础理论，还推动了声学功能器件技术的发展。项目执行期间已发表学术论文7篇，其中SCI源刊物论文6篇，第一作者/通讯作者论文5篇。论文包括Nature1篇，Phys.Rev.B2篇，Chin.Phys.B1篇（编辑推荐），AIPAdv.1篇，产生了一定的国际学术影响。