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多孔特异材料在声学深亚波长成像中的应用2012.5

在亚波长领域，声波的透射系数：01其中a为狭缝的宽度，λ是入射波长02传统声栅透射

异常声学透射（EAT）亚波长的周期狭缝阵列a：结构示意图和相应的透射谱b1和b2分别对应于波长为2.02d和1.09d两个透射峰处的声压分布，d为狭缝阵列的周期

异常声学透射（EAT）亚波长的周期孔阵列亚波长圆形孔阵列的声学透射谱孔的半径r=0.6mm，阵列周期a=2.0mm，板的厚度t=2.0mm

模拟的亚波长穿孔板实验使用的穿孔板以及面阵列穿孔板的概念图，几何尺寸为单位穿孔边长a=0.79mm，晶格常数=1.58mm，刚性穿孔板厚度h=158mm。

零阶透射系数透射系数对于所有的平行动量，包括倏逝波，都有相同的模1。在激发驻波共振的条件下，即qzh=mπ，m为整数时：

零阶透射系数8个不同频率下零阶透射系数的模：前面4个频率是FP共振的最低共振频率，后面4个是介于4个共振频率之间的频率。

单位穿孔模型理论透射系数模拟透射系数基本模型2150Hz声压分布

线阵列穿孔模型2150Hz线阵列穿孔板声压分布基本模型

线阵列穿孔模型线阵列结构的距离输出端不同距离处声压分布

互补结构模型线阵列的互补结构距离输出端不同距离处声压分布

无穿孔板模型无穿孔板结构距离输出端不同距离处声压分布

三种结构对比三个模型的输出端声压分布情况：虚线为线阵列穿孔模型，叉为线阵列的互补结构模型，圆圈为无穿孔板模型

面阵列穿孔模型面阵列穿孔板输入端的正方形孔，边长9.875mm，为输入波长的1/16

面阵列穿孔模型截面1（0.158mm）截面2（0.79mm）截面3（1.58mm）模拟结果理论结果

面阵列穿孔的互补结构模型面阵列穿孔板的互补结构输入端的正方形孔，边长9.875mm，为输入波长的1/16

面阵列穿孔的互补结构模型模拟结果截面1（0.158mm）截面2（0.79mm）截面3（1.58mm）理论结果

两种阵列穿孔板面阵列穿孔板没有将输入端接收到的倏逝波转化为传输波，也就是说这种结构无法进行远场成像。

面阵列穿孔板两个边长为w=7.9mm的正方形孔，其中心距离为s=11.85mm，输入平面波波长为158mm，相距3.95mm，为波长的1/40。

面阵列穿孔板距离输出端1.58mm处的声压，以及中线上的声压分布理论值模拟值

面阵列穿孔板字母”E”，线宽度为3.18mm，为输入平面波波长158mm的1/50。

面阵列穿孔板距离输出端1.58mm处的声压，以及中线上的声压分布实验值模拟值

总结本文显示了面阵列特异材料穿孔板能够成近场深亚波长（λ/50）物体的真实像。亚波长物体的信息之所以能够有效的传递依赖于多孔结构内激发的Fabry-Perot共振，在共振条件下，物体散射出的含有大波矢量的倏逝波场与透射共振模式强烈耦合，因而能够传递到输出端，成清晰的像。但如果入射波的频率偏离了共振频率，或者截取成像的距离与输出端相距过远，那么成像的质量都会有很大的损失。该实验结果证实了这种多孔结构特异材料穿孔板能够作为一个亚波长量级的成像设备，它工作在系统FP共振模式决定的一系列离散的共振频率下。0102

展望本文所做的亚波长（λ/50）已经远小于衍射极限，并且通过减小穿孔板的几何参数，该结构能在更高的频率下增强成像的质量。在经过更多应用方面的研究，多孔特异材料在提高医学超声成像的质量、合金材料内裂缝的无损检测、水下声纳等很多领域都能得到应用。