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基于含时调制的声二极管

【摘要】:近些年研究人员对声二极管的兴趣与日俱增。声二极管是一种实现声波单向传输性质的器件。这样的独特性质可以通过在线性系统中引入参数的含时调制实现。在光学系统中已经有人实现了这种主动式单向传输器件,但在声学系统中相关工作还很少。实现一个高透射率接近100%而低透射率接近0的声二极管依然是一个巨大的挑战。在线性声学系统中引入含时调制是一个很有希望的途径。本论文对线性系统中引入含时调制后声波的传输行为进行了研究,证明了在线性声学系统中引入含时调制可以实现非互易传输。本文还提出并用COMSOL Multiphysics模拟和实验证明了 一种可以在声超构材料中提供含时调制的基本结构:旋转椭圆柱。本论文的主要工作是设计了四种基于含时调制的声二极管:1.基于单个调制器的声二极管。这种器件由声波导管中一根旋转的椭圆柱和一个高效的声带阻滤波器组成,用三种模拟方法和一个实验证明了该结构可以实现声波的单向传输。这个设计结构简单,易于实现,却还不能算是真正意义上的"二极管",下面的三种结构更复杂的设计是真正的"二极管"。2.基于两个串联调制器的声二极管。在声波导管中相隔特定距离设置两组初始相位相差45度的旋转的椭圆柱,在COMSOL Multiphysics软件中用三种模拟途径展示了这个结构正反向传输的非互易性。3.基于间接声子带间跃迁的声二极管。通过在声波导管中设置一个占波导管宽度的一半的调制区域,在单方向引起间接声子带间跃迁,从而打破时间反演对称性。通过COMSOL Multiphysics软件,使用函数方程模拟展示了系统声学非互易传输的效果。4.基于Aharonov-Bohm效应的声二极管。在两个调制波导区域中间设一个中心波导区域,两个调制区域的调制相位分别为0和π/2。利用Aharonov-Bohm效应打破系统的时间反演对称性。通过COMSOL Multiphysics软件,使用函数方程模拟展示了系统的声学非互易传输效果。

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