【摘 要】
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21世纪初,科学界兴起了一种称为超材料的人工微结构,该类结构拥有独特的物理性质,例如负弹性模量、负密度、负折射率等,这些优异的性质是天然材料所不具备的。而且超材料的材料性质与本身的成分相关性较低,主要由其结构决定。因此人们可以通过超材料结构的设计轻松地实现对波的任意控制,从而在减振降噪、结构健康监测等领域中展现出良好的应用前景。但是随着研究的深入,超材料一些缺点也被暴露出来,例如体积大、成本高、难
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21世纪初,科学界兴起了一种称为超材料的人工微结构,该类结构拥有独特的物理性质,例如负弹性模量、负密度、负折射率等,这些优异的性质是天然材料所不具备的。而且超材料的材料性质与本身的成分相关性较低,主要由其结构决定。因此人们可以通过超材料结构的设计轻松地实现对波的任意控制,从而在减振降噪、结构健康监测等领域中展现出良好的应用前景。但是随着研究的深入,超材料一些缺点也被暴露出来,例如体积大、成本高、难以集成等。因此在超材料这一概念被提出的十年后,超表面结构应运而生。超表面作为一种具有亚波长尺度的超薄超材料,本质上可以看作超材料的二维对应。相较于传统的三维超材料,超表面具有结构紧凑,界面薄等优势,一经提出,便激发了学者们的研究热情,受到广泛关注。研究表明,利用超表面也可以对光波乃至声波进行几乎任意的调控,比如负折射、波的聚焦、隐身等。研究至今,超表面在光波和声波领域得到长足的发展,但是由于固体弹性波更为丰富的波型,更复杂的控制方程,利用超表面对固体弹性波的调控研究于近些年才被提出,仍处于起步阶段。在这些关于弹性波超表面的研究中,普遍存在两个问题:1.对板波的调控需要以破坏板的结构为前提;2.大部分研究仍基于经典广义斯涅尔定律,并没有考虑高阶衍射项的修正。针对上述问题,该文主要做了如下几项工作:（1）基于板波和梁的弯曲波理论,构建了曲梁型超表面结构,相较于其他弹性波超表面,该类新型结构具有能够贴置在完整板结构表面的功能。在验证了该结构具备波前操控的能力的同时,实现了声波聚焦、波形转换等声学现象,并且提出了一种施加阻尼的方式来对完整板结构中板波进行调控。（2）针对曲梁超表面存在的尺寸较大的问题,以及阻尼方式会损耗透射波幅值的缺点,提出一种螺旋型超表面和将其关于截面对称的新型排布方法。该结构具备更高的透射率,能实现对波前更完美的操控。基于该结构实现了无衍射贝塞尔波束和波束分离功能,并对结构的宽频带特性进行研究。最后,以对称排布的方式实现了在不削弱透射波能量的前提下对完整板结构的板波调控。经验证,该方法具备一定普适性和宽频特性。（3）针对大多数弹性波超表面研究中对异常透射现象避而不谈的问题,引入高阶衍射项修正后的广义斯涅尔定律,验证了弹性波超表面也符合该定律。同时,基于该理论设计相应的结构尺寸,从而实现了宽角度的负折射、非对称传输、Lamb波模态分离、波导等功能,证明该超表面结构在无损检测等领域潜藏巨大的应用潜力。
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