2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——物理學(xué)中的聲超材料研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題3分，共15分）1.下列哪一項不屬于聲超材料的主要特性？A.聲隱身B.聲透鏡C.聲波散射D.電磁屏蔽2.聲子晶體中，聲波布拉格散射的發(fā)生條件是？A.聲波頻率低于介質(zhì)的聲速B.聲波頻率高于介質(zhì)的聲速C.聲波頻率等于介質(zhì)的聲速D.聲波頻率等于布拉格頻率3.下列哪種材料不屬于聲超材料？A.一維周期性聲子晶體板B.二維周期性聲子晶體C.各向同性均勻介質(zhì)D.具有周期性結(jié)構(gòu)的介質(zhì)4.聲超材料在降噪應(yīng)用中，主要利用了其哪種特性？A.聲波聚焦B.聲波衍射C.聲波反射D.聲波吸收5.下列哪種方法不屬于聲超材料的制備方法？A.光刻B.3D打印C.自組裝D.沉積二、填空題（每空2分，共20分）1.聲超材料是由______和______周期性排列構(gòu)成的人工結(jié)構(gòu)。2.聲子晶體是指周期性結(jié)構(gòu)對______波傳播產(chǎn)生調(diào)控的介質(zhì)。3.聲超材料可以實現(xiàn)聲波的______、______和______等異常聲學(xué)現(xiàn)象。4.聲超材料在電子領(lǐng)域的應(yīng)用包括______和______等。5.聲超材料的研究熱點(diǎn)問題包括______和______等。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述聲超材料的工作原理。2.簡述聲子晶體的概念及其與聲超材料的關(guān)系。3.簡述聲超材料在聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。4.簡述聲超材料與傳統(tǒng)超材料的區(qū)別。四、計算題（10分）一個由兩種介質(zhì)組成的二維周期性結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：介質(zhì)1的聲速為340m/s，介質(zhì)2的聲速為170m/s，周期性結(jié)構(gòu)周期為0.02m。試計算當(dāng)聲波以30度角入射到該結(jié)構(gòu)時，發(fā)生布拉格散射的聲波頻率是多少？五、論述題（15分）論述聲超材料在未來科技發(fā)展中的潛在應(yīng)用前景。六、設(shè)計題（20分）設(shè)計一種基于聲超材料的聲隱身器件，并說明其工作原理和設(shè)計思路。試卷答案一、選擇題1.D2.D3.C4.D5.B二、填空題1.彈性介質(zhì)；周期性結(jié)構(gòu)2.聲3.透鏡；隱身；全息4.聲學(xué)傳感器；聲學(xué)濾波器5.新型聲超材料的設(shè)計；制備工藝的改進(jìn)三、簡答題1.聲超材料的工作原理是基于其周期性結(jié)構(gòu)對聲波的調(diào)控作用。通過設(shè)計不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實現(xiàn)對聲波的衍射、反射、透射等效應(yīng)的控制，從而產(chǎn)生異常聲學(xué)現(xiàn)象，如聲隱身、聲透鏡等。當(dāng)聲波入射到聲超材料時，會在周期性結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生散射，散射波的疊加可以形成特定的聲場分布，從而實現(xiàn)對聲波的調(diào)控。2.聲子晶體是指周期性結(jié)構(gòu)對聲波傳播產(chǎn)生調(diào)控的介質(zhì)。聲子晶體可以看作是聲波中的“光子晶體”，其周期性結(jié)構(gòu)可以影響聲波的傳播特性，如布拉格散射、局域共振等。聲超材料是基于聲子晶體概念發(fā)展起來的一種新型人工結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實現(xiàn)對聲波的更精細(xì)調(diào)控，從而產(chǎn)生更多的異常聲學(xué)現(xiàn)象。3.聲超材料在聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用包括降噪、聲隱身、聲成像、聲波調(diào)控等。例如，聲超材料可以用于制造高效的降噪材料，通過吸收或反射特定頻率的聲波，降低環(huán)境噪聲；聲超材料還可以用于制造聲隱身器件，使物體在聲波中“隱形”；此外，聲超材料還可以用于制造聲透鏡、聲全息等器件，實現(xiàn)聲波的高分辨率成像和調(diào)控。4.聲超材料與傳統(tǒng)超材料的主要區(qū)別在于工作原理和構(gòu)成材料。傳統(tǒng)超材料通常是由金屬等電磁介質(zhì)構(gòu)成的人工結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計亞波長結(jié)構(gòu)單元的排列，實現(xiàn)對電磁波的控制。而聲超材料是由彈性介質(zhì)構(gòu)成的人工結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計周期性結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)對聲波的調(diào)控。此外，聲超材料可以產(chǎn)生更多的異常聲學(xué)現(xiàn)象，如聲隱身、聲透鏡等，而傳統(tǒng)超材料主要實現(xiàn)對電磁波的調(diào)控，如偏振旋轉(zhuǎn)、渦旋波產(chǎn)生等。四、計算題解：根據(jù)布拉格散射條件，聲波頻率$\omega$與波數(shù)$k$的關(guān)系為$\omega=ck$，其中$c$為聲速。布拉格散射的波數(shù)$k$與入射角$\theta$的關(guān)系為$k=\frac{2\pi}{\lambda}\sin\theta$，其中$\lambda$為波長。由于聲波在兩種介質(zhì)中傳播的速度不同，因此需要分別計算兩種介質(zhì)中的波長。設(shè)介質(zhì)1中的波長為$\lambda_1$，介質(zhì)2中的波長為$\lambda_2$，則有$\lambda_1=\frac{c_1}{f}$，$\lambda_2=\frac{c_2}{f}$，其中$c_1$和$c_2$分別為介質(zhì)1和介質(zhì)2中的聲速，$f$為聲波頻率。根據(jù)布拉格散射條件，有$\frac{2\pi}{\lambda_1}\sin\theta_1=\frac{2\pi}{\lambda_2}\sin\theta_2$，其中$\theta_1$和$\theta_2$分別為聲波在介質(zhì)1和介質(zhì)2中的入射角。由于聲波垂直入射到周期性結(jié)構(gòu)表面，因此$\theta_1=0$，$\theta_2=30^\circ$。代入上述公式，得到$\frac{c_1}{f\lambda_1}\cdot\sin0=\frac{c_2}{f\lambda_2}\cdot\sin30^\circ$，化簡得到$f=\frac{c_2\sin30^\circ}{\lambda_2}$。由于$\lambda_2=\frac{c_2}{f}$，代入上式得到$f=\frac{c_2\sin30^\circ}{\frac{c_2}{f}}=f\sin30^\circ$，解得$f=\frac{c_2\sin30^\circ}{\frac{c_2}{f}}=170\times\frac{1}{2}\times\frac{1}{0.02}=4250$Hz。因此，發(fā)生布拉格散射的聲波頻率為4250Hz。五、論述題聲超材料作為一種新型的人工結(jié)構(gòu)材料，具有許多獨(dú)特的性能，如聲波調(diào)控、聲隱身等，因此在未來科技發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景。首先，聲超材料可以用于制造高效的降噪材料，改善人們的生活環(huán)境和工作環(huán)境。其次，聲超材料可以用于制造聲隱身器件，應(yīng)用于軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。例如，在軍事領(lǐng)域，聲隱身器件可以用于制造潛艇、飛機(jī)等軍用裝備，提高其隱蔽性。在醫(yī)療領(lǐng)域，聲超材料可以用于制造聲成像器件，實現(xiàn)高分辨率、高對比度的醫(yī)學(xué)成像，提高疾病診斷的準(zhǔn)確率。此外，聲超材料還可以用于制造聲波調(diào)控器件，如聲透鏡、聲波導(dǎo)等，實現(xiàn)聲波的高效傳輸和聚焦，應(yīng)用于通信、傳感等領(lǐng)域。總之，聲超材料在未來科技發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景，將會對人們的生活和工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。六、設(shè)計題設(shè)計一種基于聲超材料的聲隱身器件，其結(jié)構(gòu)如下：在一個基板上制作一層周期性結(jié)構(gòu)，該周期性結(jié)構(gòu)由兩種不同的彈性介質(zhì)構(gòu)成，一種介質(zhì)的聲速較高，另一種介質(zhì)的聲速較低。當(dāng)聲波入射到該器件時，會在周期性結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生散射，散射波的疊加可以形成特定的聲場分布。通過設(shè)計合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以使入射聲波繞過被隱身的物體，從而實現(xiàn)聲隱身效