基于超材料的新声学
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作者[新加坡] Woon Siong Gan
出版社国防工业出版社
ISBN9787118125887
出版时间2023-01
装帧平装
开本其他
定价129元
货号1202809196
上书时间2024-06-10
商品详情
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作者简介
舒海生，男，1976.11月出生，教授，博士后，博士生导师，1997年毕业于哈尔滨工程大学机械工程专业，2005年取得工学博士学位。多年来一直承担本科生和研究生的机械振动课程的教学工作，教学效果优良，4次获得优秀主讲教师称号。
目录
1 声场的对称性…………………………………………………………………….………………1 引言……………………………………….………….……………………………….…...1声波在固体中的传播……………………………………………..……..…………….….2线性波动方程的推导与求解……………………….…………………….…….2线性声波方程的对称性与新应力场方程…………………….……….……….3规范势理论求解声波方程……………….……………………………………….…..…..4固体中声波传播的规范势理论…………………………………………………..………6平移对称性…………………………………………………………………..….6无穷小幅值声波方程的共变导数介绍……………………………….………..7大幅值声波方程的共变导数介绍……………..………………………..……...8局部旋转对称性………………………………………………………..……….8声学超材料的对称性理论框架………………….……………………………..….……..8旋转对称性与弹性理论……….……………………………………..…………9局域规范不变性………………..………………………………………………..….…….9共变导数………….……………………………………………………………..……….10局域对称性形式的各向异性……………………………………………………....……11声子结构设计中的声场对称性……………….…………………………………..…….12Goldstone模式声子………………..………………………………………………..…..13湍流场的对称性……………………...…………………………………………..……..13声学中的时间反转对称性………………………..…………....…………….…………15 参考文献……………………………….…………………………………..……….…………15 负折射和声学隐身………………………….…………………………………….…….……..17引言………………….………………………………………………….…………..….…17Veselago理论的不足………………….…………………….………….....…….……….18概述……………………………………………………………………..………18齐次电磁波方程的规范不变性………………………………………..………19声场方程的规范不变性…...…………………………………………...………20声学隐身………………………………………………………………..………21非线性齐次声波方程的规范不变性……………………………………..……22作为坐标变换的特殊情况的负折射以及负折射与隐身的统一理论…..…....22小结………………………….………………………………………………….23利用多散射方法实现理想声透镜…………….…………………………………....……24声学隐身………………..…….……………………………………………………..……29概述…………………..…………………....................................................…....29转换声学的推导…..…………………………………………………...........….30特殊实例的应用分析…….…………………………………………………….34同时具有负质量密度和负体积模量的声学超材料……….…………………………....35基于非线性坐标变换的声学隐身…………..…………….………………………..……39水下物体的声学隐身……………………………….………………………….…......….41非线性声学中的双负性……………………….………………………………………....43 参考文献………………………………………………………………………………......…..44 声波在负介质固体内的基本传播机理……………...…………………………………..……47传统固体中多散射的分析方法……………….…………………………………………47多散射分析中的T矩阵…………………………………………………………..……..47声学超材料中多散射的T矩阵分析……….………………………………………..….49导致局域负参数的低频共振………………………………………………….……..…..50具有局域负参数的声学散射体…………………………………………….……………50低频极限处声波的多散射…………….………………………………….……………...53多散射效应：因子…………….……………………………………….……………...53声学超材料多散射的T矩阵分析方法的合理性………………………………………57衍射…………….…………………………………………………………………………...57负散射体单元的衍射………………...……………………………………………..…..58负散射体衍射理论………………….…………………………………………………..59衍射层析成像问题的描述………………………………………………..……59负介质中衍射过程的建模……………………………………………………..64数值仿真结果……………………………………………………………..……65数值仿真中需要注意的问题………...……………………………..………….72折射…………….…………………………………………………………………..……73 参考文献………………………………………………………………………………...……..74 人工弹性…………….……………………………………………………………….………..77弹性刚度和柔度……………..……………………………………………………...……77应力场和粒子速度场的对称性…………….…………………………………….….…..78粒子速度场声波方程与应力场声波方程之间的对称性…..……………..…..80各向同性固体中应力场和粒子速度场的旋转不变性….………………….………..….81旋转对称性的特例：镜像对称性………………………………………………………..81粒子速度场声波方程的形式不变性………..………………………………………..….82非线性齐次声波方程的规范不变性……………..……………………………………...83同时具有负质量密度和负体积模量的声学超材料：人工弹性举例…………..……..84新的人工弹性场……………………...……………………………………………..……88 参考文献…………………………………………………………………………………..…..88 人工压电性……………….…………………………………………………………………....89压电性概述………...………………………………………………………………..……89压电本构关系…………….………………………………………………………………91声场方程与麦克斯韦方程的耦合………...…………………………………………..…91用于压电分析的增强型克里斯托弗方程……………………………………………….92利用超材料设计声学共振子…………………………………………………………….93利用超材料设计声波导………………………..……………………………….……96用于二阶相变的压电性………………………………………………………………….98人工压电性………………………..……………….……………………………………102人工压电性的制备…………………………….………………………………………..102 参考文献……………………………………………………………………………………..104 声学二极管……………….………………………………………………………………..…107基于超材料的非线性声学……………………………………………………………...107基本原理………………………………………………………………………107利用非线性声学超材料实现声波衰减……..…………………………..……109可实现单向声传输的声学二极管…………….…………………………………….….110利用声学二极管实现声学成像……………………..………………………………….113声学二极管的理论框架…………………….…………………………………..………114概述………..……………………………………………………………….….114声学二极管的物理机制……...……………………………………………….115 参考文献……………………………………………………………………………………..122 能量收集与声子结构……………...…………………………………………………………125声子网络技术应用概述……….…………………………………………………..……125声子晶体……..………………………………………………………………………….126人工结构的弹性动力学……………….……………………………………….……….128概述……………………………………………………………………………128基本方程和原理………..……………………………………………..………129从离散介质到连续介质：极限处理……………………………………….…131进化与保守：微观E.O.M.与变分原理…….……………………………..…134矢量声子的对称性打破与极化……….…………………………………..….137基于对称性打破的弹性动力学小结………….……………………………...140统一设计框架的发展：数学结构…………………………………………………..….141概述……..……………………………………………………………………..141免交叉和摄动理论的一般化……………...………………………………….143非局域性之一：晶格效应及其相互作用……………………………..……..146非局域性之二：晶格效应及其相互作用……………………..…………..…148局域化原理：基于几何层面的变分原理……………………………..……..150群描述：非对称性与Wyckoff定位………………………………………..…152晶格分类：声子结构的物理拓扑…………………………………………….153声子超材料色散关系的设计之一：交叉的回避…………………………………..…..166概述……………………………………………………………………………166从晶体到“共振”超材料………………………………………………………167介观声子超晶体：极化-特定谱带隙………………………………….……..170声子超材料色散关系的设计之二：多波长非对称声子晶体…………………..……..171概述…..………………………………………………………………………..171整体对称性：非对称性和结合带………..………………………………..…172热电学与热导率的设计………………….……………………………………………..180声子超材料网络和信息处理…………………….…………………………………..…182当前和未来的工作介绍与展望…………………..…………………………………….183 参考文献……………………………………………………………………………………..184 局域共振结构……………..…………………………………………………………….……187概述………………………………………………………………………………….…..187声子晶体研究背景…………...………………………………………………………....188声子晶体理论：多散射理论（MST）…………..………………………………….…189计算过程………………………………………………………………………192结果讨论……….……………………………………………………………...192利用多散射方法设计理想声学透镜……………………..………………………….…194一般意义上的声学超材料………....……………………………………………….…..199基于弹簧质量模型的局域共振演示以及动态等效质量…………...…………………200两个共振点之间的等效质量的色散行为………….…………………….…..201等效体积模量和共振的空间对称性………….…………………………..….202双负质量密度和体积模量……………………………………………………203膜状声学超材料………………...………………………………………………………203法向位移分解及其与行波和凋落波模式之间的关系………..……………..204膜共振子的等效质量密度与阻抗………………………………………..…..205两个耦合的膜共振子的等效体积模量及双负性………..………………..…206超分辨率和突破衍射极限的聚焦…………….………………………………………..208分辨率极限和凋落波………..…………………………………………….….208衍射极限的突破………..………………………………………………..……208声学超透镜………...………………………………………………………….210声学超超透镜……….……………………………………………………..….211坐标变换………………...…………………………………………………….……….212作为坐标变换特例的负折射以及负折射和隐身的统一理论………..……..212声学隐身…….…………………………………………………………..…….214零折射介质…...……………………………………………………….………221空间盘绕和声学超表面……………………………………………………………….221小空间内形成大相位延迟…………………..…………………………….221利用声学超表面实现相位调制………………………………………..…….222声吸收………………………………………………………………………………….223基于复杂局域共振结构的隔声材料…………………..……………………..……….225概述……….………………………………………………………….….…….225隔声…….………………………………………………………….…………..226利用声学超材料实现隔声……….……………………………….…………..226局域共振结构的建模方法……….…………………………….………….….229局域共振结构的实验方法……….………………………….………..………229平面波测试………………………………………………………………..…..229散射场测试……………………………...……………………………….……230结果………………………..……………………………………………..……231讨论…………………..…………………………………………………….….231小结……………..……………………………………………………………..233一些新的研究方向与展望……………………...…………………………….……….233弹性和力学超材料……………………………….……………………….…..233声学超材料的巨大潜力………………………….……………………….…..234 参考文献……………………………………………………………………………………..235 利用声学超材料实现时间反转声学控制…………………………………………...………243时间反转声学的基本原理：声场的时间反转对称性…………………..…………….243时间反转声学的实验实现………………………………………………….…………..244非均匀介质中的超声波聚焦………………………….…………………….………….245自适应时延聚焦技术…………………..………………………………..……245时间反转腔…………...…………………………………………………….…247时间反转镜…………...…………………………………………………….…248利用时间反转镜进行聚焦………………..…………………………………..248时间反转方法中的信号处理……………...………………………………….249重复的时间反转模式：自动目标选择…………………………………..…..249时间反转声学的一些实际应用…………………………………………………..…….250利用远场时间反转实现电磁波的亚波长聚焦………………………..…………….…252利用远场时间反转实现声波的亚波长聚焦…………………….……………………..253 参考文献……………………….……………………………………………………….……256 水下声学隐身…………………………...……………………………………………………259声学隐身…………………………...…………………………………………………..259传播理论……………………………...………………………………………………..260海面处的反射和散射………………………….…………………………………..…..261海底处的反射和散射………………………….……………………………………....262海底处的反射损失…………………………..………………………………………...262Westervelt方程…………………………………………………………………………264Westervelt方程的坐标变换…………………………………………….…….265水下声学隐身的实例…………………………...……………………………………..269水下声学隐身的基本原理………………….………….…………….……….269水下声学隐身斗篷的几何结构…………………….………………..……….270实验过程………………………………………………………………………271水下声学隐身的应用…………………………………...……………….…………….275 参考文献……………………………………………………………………………………..275 地震超材料……………………………………………….……………………………..……277概述………………………...………………………………………………………..…277基于电磁场隐身原理的地震超材料………………………..…………………..…….278基于声学隐身原理的地震超材料………………………………………………….…278利用地震超材料降低地震危害……………………...…………………………..……279转换地震学…………..……………………………………………………….279地震斗篷的实例……………………….………………………………………..……..281基于超材料的地震波导……………………..……………………………………….282地震波理论介绍………..……………………………………………….……282负模量………………………………………………………………………...283地震波衰减装置……………..……………………………………………….286 参考文献………………………………………………………………………………...…..287 声学超材料在有限幅值声波中的应用……………………………………………..………289概述…………………...………………………………………………………………..289声学隐身………………...…………………………………………………………..…290声辐射力…………………...………………………………………………..…………291在广义相对论和重力场框架下利用声学超材料产生悬浮力………………...……294悬浮系统的建模………………………………………………………..……..295声学悬浮力的计算…………………………………………………………...296结束语…………………………………………………………………………….……298 参考文献……………………………………………………………………………………..298 曲线时空上的声学成像…………………………….……………………………………….301概述……………………...…………………………………………………………..…301广义相对论理论的常见应用……………………………………………….…………302振动成像………………..…………………………………………………………..….302弹性成像……………………..…………………………………………………….…..304 参考文献…………………………………………………………………………………..…305 作为超材料理论设计关键基础的输运理论：人工相位变迁………….…………………..307输运理论、输运特性与人工相位变迁…………………………………………..……307超材料的人工相位变迁本质与相位变迁临界点处超材料输运特性的奇异行为…………………………………………………………………………………..……308利用输运特性探索超材料的新形式………………………………..………..……….310人工弹性…………………….……………………………………………..….311人工磁性………………………………………………………………………311人工高温超导性………………..………………………………………….….311人工压电性……………...………………………………………………….…312人工铁磁性………………………………………………………………..…..312超材料概念对人工材料领域的突破……………………………..…………….……..312结束语……………………………………………………………………………….…313 参考文献……………………………………………………………………………….…….313
内容摘要
本书主要阐述了声学超材料独特而异常的声学性质及其在声隐身、隔声、声聚焦与成像、单向声传输控制以及地震波防护等重要技术领域的应用，较为完整地阐述了基于超材料理念所形成的现代声学新技术。主要内容包括：声场的对称性、负折射和声学隐身、声波在负介质固体内的基本传播机理、人工弹性、人工压电性、声学二极管、能量收集与声子结构、局域共振结构、利用声学超材料实现时间反转声学控制、水下声学隐身、地震超材料、声学超材料在有限幅值声波中的应用、曲线时空上的声学成像以及人工相位变迁等。
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