课题基金 / 基金详情

基于拓扑声子晶体的高指向性声辐射研究

批准号:
12074183
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
刘晓峻
依托单位:
学科分类:
线性与非线性声学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘晓峻

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
定向声辐射技术可以控制声源的传播方向和声波的覆盖范围,在声学通信、探测与感知等领域意义重大。现有的声学人工结构定向声辐射系统虽然可以克服传统扬声器阵列的系统复杂性问题,但仍存在可实现工作频段极窄、波束宽度过大等局限,难以满足声辐射调控的需求。近期研究表明,拓扑声子晶体中界面声传输模式能有效局域声波并精准匹配波矢量,从而实现针式指向性的波束成形,具有丰富的物理效应和广阔的应用前景。由于拓扑声子晶体中声散射的复杂性,其界面传输模式的激发过程与有效工作频带的关系尚不清楚,辐射声束仰角的调控机理也未澄清。为此,本项目将深入研究拓扑声子晶体中声单向边界态的激发机制,挖掘伴随谷涡旋模式形成的声学参量,以有效调控声辐射系统的工作频带;同时,深入研究不同微结构参数演化对波矢匹配的影响,扩大可选择的横向波矢区间,拓展辐射波束的仰角范围,进而在此基础上构建新原理高指向性声学器件,以更好地满足声学应用的需求。
英文摘要
Directional sound radiation can control the propagation direction and coverage area of sound source, which has great significance in acoustic communications, detections, and sensing. In spite of the superiority over the inherent system complexity problem of traditional loudspeaker array, current sound radiation systems based on acoustic metamaterials are still restricted by the extremely narrow working frequency range and broad beam width. These deficiencies cannot fulfill the application requirements of efficient sound radiation manipulations. Recent studies have shown that the interface acoustic modes in topological phononic crystals can concentrate the sound waves efficiently while match the wave vectors precisely, and thus achieve beam forming with needle-like directivity, in which rich physics and promising applications are prospected. However, due to the complexity of sound scattering processes in the topological phononic crystals, the relationship between the excitation of acoustic interface mode and the working band is not clear. In addition, the mechanism of directivity angle manipulation is not clarified. Thus, this project will study the excitation mechanism of acoustic one-way interface modes, explore the acoustic parameters associated with the formation of valley vortex modes, and extend the operation frequency range of sound radiation system. At the same time, we further study the effects on wave vector matching by the variation of system parameters in different types, enrich the selectable parallel wave vector, and extend the range of directivity angle. On this basis, we will develop novel sound radiation devices with high directivity, which are essential for the acoustic applied technologies.
定向声辐射是理论声学和声学技术的重要研究领域,利用高指向性声束能够将声信号精确辐射到目标空间,在声学通信、探测与感知等方面具有重要的应用价值。具有针式指向性的极高空间分辨率定向声非常难实现,一直是声学工作者孜孜以求的学科前沿问题。近期研究表明,将声子晶体的类拓扑边界传输模式与常规无指向性点声源相结合,可构造出特殊的拓扑声学天线。通过对边界态声信号在声子晶体-自由空间界面进行波矢精准选择与匹配,在较宽频带内实现高效的针式指向性声辐射,这在保密声通信和抗干扰声通信中具有广阔的应用前景,已成为新原理声学传感技术的重要发展方向。然而,由于拓扑声子晶体中声散射的复杂性,其界面传输模式的激发过程与有效工作频带的关系尚不清楚,辐射声束仰角的调控机理也未澄清。针对拓扑声子晶体中声波信号增强和波束成形的新原理物理机制这一有待探索的挑战,本项目基于已有的人工材料声传感工作基础,从理论分析、数值模拟和实验验证等不同层次,对基于拓扑人工微结构体系的高效低频声定向传感技术中相关的关键基础问题进行了系统深入的研究。首先,阐明了拓扑声子晶体中声单向边界传输模式的激发机制,系统分析了伴随谷涡旋声场模式形成的声学参量,从而丰富了声辐射系统工作状态的调控方法,并在拓展工作频带范围内实现了声辐射指向性的高度优化和旁瓣大幅抑制;在此基础上,揭示了拓扑声子晶体各类微结构声学参数演化对横向波矢选择匹配的影响,建立了可适用于超元胞之间模式杂化耦合相互作用调控波矢的系统方法,从而扩大了可选择匹配的横向波矢的区间,并有效拓展了辐射波束的仰角范围和应用价值;基于理论研究发现,设计并优化了高指向性声辐射器件,以实现宽工作频带、大仰角范围的声波波束定向和调控能力,系统探索了声拓扑结构在声学功能器件中的应用,设计、制备并验证了非厄米声波拓扑定向增强发射、高灵敏度高指向性天线、不同拓扑荷的声束复用传输等一系列声学功能器件。本项目的研究成果在多种具有波束成形和增益增强能力的声学超构介质的设计、制备与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。项目支持下已发表SCI论文35篇,包括Nature 1篇、Nature Commun. 5篇、Phys. Rev. Lett. 1篇、Adv. Mater. 2篇,3篇入选ESI 高被引论文,课题负责人在项目执行过程中均入选“世界前2%科学家”,产生了一定的国际学术影响。
生物组织光声断层成像中的几个关键科学问题研究
  • 批准号:
    11834008
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    320.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    刘晓峻
  • 依托单位:
声学超构表面对声传播的调控机理及相关声学器件的实现
  • 批准号:
    11574148
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    73.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    刘晓峻
  • 依托单位:
基于频域参量光声成像机理及在生物组织微结构表征中的应用
  • 批准号:
    11274171
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    93.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    刘晓峻
  • 依托单位:
声学结构介质中的共振耦合效应及其在倏逝波增强中的应用
  • 批准号:
    11074124
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    45.0万元
  • 批准年份:
    2010
  • 负责人:
    刘晓峻
  • 依托单位:
国内基金
海外基金