声子晶体平板聚焦特性与应用研究

Based on the water or air environment，Phononic crystal slabs constructured by metal or non metal materials will be analysed as models. Theoretically, for the macroscopic physical pictures and microcosmic mechanisms of the slab focusing ,the slab focusing characteristics and its impact factors will be explored. And the composite material matching relationships and structure features will also be investigated as well as the slab focusing quality and imaging correction method. Experimentally,the phononic crystal slabs with sound and ultaosound work frequency will be constituted and investigated continually to verify the above theoretical results,especially the focusing principle, focusing process and the key impact factors of the slabs , till getting a satisfied agreement between the theoretics and the experiment。Then,we will design some hypersonic phononic crystal slabs with some certain topological structures,to find the acousto-optic interaction rules and regulation methods,and exploit the pioneer applications of the hypersonic phononic crystal in solar energy and heat energy utilization. This program, in theory, will deeply and detaily study and answer some foundmental science questions about the negative refraction mechanism, the slab focus imaging principles, the commonness and individualities of different wave motion forms and so on, and also try to give some 'visible' interpretations to some physics process by the aid of functional phononic crystal worked in lower sound frequency. In practice, it provide a basic theory to the application of slab focusing and a method to build the hypersonic phononic crystal, as well as the new photoelectric and thermal acoustic energy conversion mode by use of the nano level composite structures.

以水、空气为环境，金属和非金属材料的声子晶体平板为分析模型, 理论上，研究平板聚焦的规律特性及影响因子；得到平板聚焦的宏观物理图像和微观机制；考察复合材料的匹配关系和结构特征规律；给出平板聚焦质量的评价指标和校正办法.实验上，构造声频和超声频的声子晶体，从实验上验证平板聚焦的原理、过程和关键影响因子，以期达到理论与实验的统一；设计具有一定空间拓扑结构的极超声声子晶体平板，实验探索其中的声光相互作用规律和调节方法，开拓声子晶体在太阳能、热能利用方面的先驱性应用。项目在理论上，对负折射的形成机制、平板成像原理、不同形式的波动运动的共性与个性等科学基础问题，进行深度、仔细的探索；并利用频率相对较低的声频功能结构，对一些物理过程提供'可视化'的解释。在实践上，提供声聚焦应用的基础理论，并指导设计极超声声子晶体，提供一种纳米层次的复合结构和全新的光电、热声能量转换模式。

以水、空气为背景，理论上，研究了典型金属和非金属材料构造的声子晶体（phononic crystals）平板聚焦的成像条件、成像规律和特性；分析了材料、材料匹配、构造方式、入射频率、入射方式等因素对成像的影响;探索了图像边沿识别及校正方法。实验上，构造了钢圆柱/水、有机玻璃圆柱/空气两种结构的声子晶体平板，在超声频率上，验证了钢柱/水结构的平板聚焦成像过程及关键影响因子；并在制作极超声声子晶体(super ultrasonic Phononic Crystals )材料方面进行了尝试。对宏观结构（晶格常数>1mm）的钢圆柱/水声子晶体平板,理论与实验结果一致。. 研究发现：平板聚焦对材料成分、材料匹配、构造方式等都有很强的依赖性。其成像频率可由能带结构和等频色散曲线(EFCs)推断而得，并与声源频率和入射角度密切相关。平板负折射成像过程中会出现散射通道特征的明显路径，类似于光学成像的光路，但该路径又不同于一般意义上的路径固定的波导。声子晶体非理想负折射下存在像差，类似于几何光学中，近轴和远轴光线所形成的像差；同样地，也可以通过声阑消除远轴声波的像差，只保留近轴声波成像。单层非密排的声栅栏对入射声波也会有调节作用。多层声子晶体平板成像服从依次成像规律，可类比传统几何光学中共轴球面系统的成像，引入实物实像、虚物虚像的概念对成像进行描述，并给出了物像之间的定量关系。理论和实验都表明，声子晶体平板成像是波的多重散射（multiple scattering）叠加的结果，单个散射体看似无规的散射过程，由于周期结构的调制，整体表现出足够的规律，并在适当情况下，形成负折射现象。在无序承受度上，负折射成像不如带隙。. 研究结果，在科学上，对于负折射成像提供了物理图像的基础性解释和认识；在应用上，负折射成像规律对于生产实践具有重要的指导意义。