CN104916279A - 一种具有超宽带声学超常反射的声学材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有超宽带声学超常反射的声学材料，所述声学材料的表面上设置有依次排列的不同深度的槽，所述槽的宽度d均相同，其中，λ2d，λ为声波的波长，相邻所述槽之间的距离为d₀，其中，d≥3d₀，建立x轴，所述x轴平行于所述表面并与所述槽垂直，其中，槽的深度为h(x)，其中，槽的深度由下式h(x)表示，本发明的具有超宽带声学超常反射的声学材料只需要一个声源入射就可以实现超宽带的波阵面控制，代替了传统的扬声器序列,打破了声学超表面的单频限制。可应用于超声治疗，噪声控制，或一些特殊的操纵声波的场合。

Description

一种具有超宽带声学超常反射的声学材料

技术领域

本发明涉及一种具有超宽带声学超常反射的声学材料。

背景技术

相控阵技术是声学中常用的技术，通常用不同相位的扬声器序列，形成一个相位轮廓，利用声波干涉效应实现各种功能，如声波重定向发射，声波聚焦，或弯曲的声场。而一些被动的方法如声学超表面只能工作在单一频率或窄的带宽。

因此，需要一种新的具有超宽带声学超常反射的声学材料以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对在现有技术中的具有超宽带声学超常反射的声学材料体积大、结构复杂的缺陷，提供一种结构简单的具有超宽带声学超常反射的声学材料。

为实现上述发明目的，本发明的具有声学超常反射的声学材料可采用如下技术方案：

一种具有超宽带声学超常反射的声学材料，所述声学材料的表面上设置有依次排列的不同深度的槽，所述槽的宽度d均相同，其中，λ>2d，λ为声波的波长，相邻所述槽之间的距离为d₀，其中，d≥3d₀，建立x轴，所述x轴平行于所述表面并与所述槽垂直，其中，槽的深度为h(x)，其中，槽的深度由下式h(x)表示：

$h\left(x\right)=h_0-\frac{\mathrm{\φ}\left(x\right)}{2k_0}-(d+d_0)\sin \mathrm{\θ}$

其中，h₀为常数，x为不同深度的槽在x轴上投影的坐标，φ(x)为表面相位轮廓，k₀＝2π/λ为波数，(d+d₀)sinθ为补偿项，θ为声波入射角。

更进一步的，所述槽的深度h(x)由下式表示

$h\left(x\right)=h_1-\frac{x\arcsin {\mathrm{\θ}}_r}{2}-(d+d_0)\sin \mathrm{\θ}$

其中，h₁为常数，x为不同深度的槽在x轴上投影的坐标，θ_r为声波反射角度，(d+d₀)sinθ为补偿项，θ为声波入射角。采用上述的槽的深度函数可以得到声波异常反射(即声波重定向发射)。

更进一步的，所述槽的深度h(x)由下式表示：

$h\left(x\right)=h_2-\frac{1}{2}\sqrt{{(x-x_0)}^2+{y_0}^2}-(d+d_0)\sin \mathrm{\θ}$

其中，h₂为常数，x为不同深度的槽在x轴上投影的坐标，(x₀,y₀)为声波聚焦点的坐标，(d+d₀)sinθ为补偿项，θ为声波入射角。采用上述的槽的深度函数可以得到坐标(x₀,y₀)为聚焦点的聚焦声波。

更进一步的，所述槽的深度h(x)由下式表示：

$h\left(x\right)=h_3-\frac{1}{2}[\sqrt{{(x+r)}^2-r^2}-r\arccos \left(\frac{r}{x+r}\right)]-(d+d_0)\sin \mathrm{\θ}$

其中，h₃为常数，x为不同深度的槽在x轴上投影的坐标，r为弯曲的声场的半径，(d+d₀)sinθ为补偿项，θ为声波入射角。采用上述的槽的深度函数可以得到半径为r的弯曲声场(声场轨迹为(x+r)²+y²＝r²)。

更进一步的，所述槽垂直于所述表面。结构更简单。

更进一步的，所述槽的宽度为0.75cm，相邻所述槽之间的距离为0.25cm。

更进一步的，所述声学材料设置在背景媒介中，所述声学材料的声学阻抗大于100倍的所述背景媒介的声学阻抗。其中，背景媒介一般为空气。

发明原理：声波入射表面，通过设计不同的槽深度的函数h(x)，控制声波在槽中传播的路程，可以在表面不同位置得到不同的相位反馈，从而实现特定的表面相位轮廓φ(x)。其中槽的深度函数h(x)中h₀是一个常数来确保设计的h(x)>0，在相控阵的应用中,所需要的φ(x)通常都正比于波数k₀,而这里通过控制声路程方法的得到的相位反馈形式,可以正好消除了波数k₀项,因此消除了对频率的依赖,使得设计的相位轮廓适用于超宽频带声信号，打破了传统超表面单频的限制，这里只需满足采样定律不产生混叠的条件波长λ>2d(其中，d为槽的宽度)。

通过设计不同的相位轮廓，可以实现不同的功能，如声波重定向,声波任意聚焦或弯曲的反射声场。

有益效果：本发明的具有超宽带声学超常反射的声学材料只需要一个声源入射就可以实现超宽带的波阵面控制，代替了传统的扬声器序列,并打破了声学超表面的单频限制。可应用于超声治疗，噪声控制，或一些特殊的操纵声波的场合。

附图说明

图1是本发明的具有超宽带声学超常反射的声学材料的结构示意图；

图2是实施例1中7277Hz声波入射的数值模拟和实验的结果图；

图3是实施例1中12128Hz声波入射的数值模拟和实验的结果图；

图4是实施例1中16979Hz声波入射的数值模拟和实验的结果图；

图5是实施例2中7277Hz声波入射的数值模拟图；

图6是实施例2中12128Hz声波入射的数值模拟图；

图7是实施例2中16979Hz声波入射的数值模拟图；

图8是实施例3中7277Hz声波入射的数值模拟图；

图9是实施例3中12128Hz声波入射的数值模拟图；

图10是实施例3中16979Hz声波入射的数值模拟图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图1所示，本发明的具有超宽带声学超常反射的声学材料，一种具有超宽带声学超常反射的声学材料，声学材料的表面上设置有依次排列的不同深度的槽，槽的宽度d均相同，其中，λ>2d，λ为声波的波长，相邻槽之间的距离为d₀，其中，d≥3d₀，建立x轴，x轴平行于表面并与槽垂直，其中，槽的深度为h(x)，其中，槽的深度由下式h(x)表示：

$h\left(x\right)=h_0-\frac{\mathrm{\φ}\left(x\right)}{2k_0}-(d+d_0)\sin \mathrm{\θ}$

其中，h₀为常数，x为不同深度的槽在x轴上投影的坐标，φ(x)为表面相位轮廓，k₀＝2π/λ为波数，(d+d₀)sinθ为补偿项，θ为声波入射角。优选的，槽垂直于表面。可省略补偿项，操作更简单方便。槽的宽度为0.75cm，相邻槽之间的距离为0.25cm。声学材料设置在背景媒介中，声学材料的声学阻抗大于100倍的背景媒介的声学阻抗。其中，背景媒介一般为空气。

具体的，槽的深度h(x)由下式表示

$h\left(x\right)=h_1-\frac{x\arcsin {\mathrm{\θ}}_r}{2}-(d+d_0)\sin \mathrm{\θ}$

其中，h₁为常数，x为不同深度的槽在x轴上投影的坐标，θ_r为声波反射角度，(d+d₀)sinθ为补偿项，θ为声波入射角。采用上述的槽的深度函数可以得到声波异常反射(即声波重定向发射)。

具体的，槽的深度h(x)由下式表示：

$h\left(x\right)=h_2-\frac{1}{2}\sqrt{{(x-x_0)}^2+{y_0}^2}-(d+d_0)\sin \mathrm{\θ}$

其中，h₂为常数，x为不同深度的槽在x轴上投影的坐标，(x₀,y₀)为声波聚焦点的坐标，(d+d₀)sinθ为补偿项，θ为声波入射角。采用上述的槽的深度函数可以得到坐标(x₀,y₀)为聚焦点的聚焦声波。

具体的，槽的深度h(x)由下式表示：

$h\left(x\right)=h_3-\frac{1}{2}[\sqrt{{(x+r)}^2-r^2}-r\arccos \left(\frac{r}{x+r}\right)]-(d+d_0)\sin \mathrm{\θ}$

其中，h₃为常数，x为不同深度的槽在x轴上投影的坐标，r为弯曲的声场的半径，(d+d₀)sinθ为补偿项，θ为声波入射角。采用上述的槽的深度函数可以得到半径为r的弯曲声场(声场轨迹为(x+r)²+y²＝r²)。

发明原理：声波入射表面，通过设计不同的槽深度的函数h(x)，控制声波在槽中传播的路程，可以在表面不同位置得到不同的相位反馈，从而实现特定的表面相位轮廓φ(x)。其中槽的深度函数h(x)中h₀是一个常数来确保设计的h(x)>0，在相控阵的应用中,所需要的φ(x)通常都正比于波数k₀,而这里通过控制声路程方法的得到的相位反馈形式,可以正好消除了波数k₀项,因此消除了对频率的依赖,使得设计的相位轮廓适用于超宽频带声信号，打破了传统超表面单频的限制，这里只需满足采样定律不产生混叠的条件波长λ>2d(其中，d为槽的宽度)。

通过设计不同的相位轮廓，可以实现不同的功能，如声波重定向,声波任意聚焦或弯曲的反射声场。

实施例1：声波重定向

请参阅图2、图3和图4所示，显示了在垂直入射情况下，产生45度反射的超常表面。此时表面相位轮廓应满足线性变化，根据广义反射定律的概念，异常反射角度为:

${\mathrm{\θ}}_r=\arcsin [\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)+\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dx}}]$

可以得到异常反射角度θ_r与槽深度变化的梯度g(x)的关系为:

θ_r＝arcsin[sin(θ_i)+2g(x)]

注意到公式3中的反射角度已与波长无关，因此，提出的机制可以消除对波长的依赖，从而实现在超宽带的应用。当结构参数g＝0.3535时(也就是槽深度满足h(x)＝h₀-0.3535x)，可以得到如图的声波重定向的效果，图2中显示了对于7cm×19.5cm的样品(槽的宽度为d＝0.75cm，槽壁厚为d₀＝0.25cm)，在3个不同频率(7277Hz，12128Hz，16979Hz)的数值模拟和实验的结果。

在实际设计中，改变参数h(x)(或g(x))，可以实现任意角度的声波异常反射和重定向。

实施例2：声波聚焦：

请参阅图5、图6和图7所示，显示了声波聚焦的数值模拟结果，此时表面的相位轮廓满足:

$\mathrm{\φ}\left(x\right)=k_0[\sqrt{{(x-x_0)}^2+{y_0}^2}-\sqrt{{x_0}^2+{y_0}^2}]$

则槽深度分布为:

$h\left(x\right)=h_0-\frac{1}{2}\sqrt{{(x-x_0)}^2+{y_0}^2}$

图中显示了声波垂直入射时，在3个频率(7277Hz，12128Hz，16979Hz)的声场强度分布(样品中槽的宽度为d＝0.75cm，槽壁厚为d₀＝0.25cm)。当声波斜入射或近场入射时，设计的相位轮廓需根据声源加一个相位补偿。

实施例3：弯曲声场

请参阅图8、图9和图10所示，显示了弯曲声场在声波垂直入射条件下，3个频率(7277Hz，12128Hz，16979Hz)的数值模拟结果(样品中槽的宽度为d＝0.75cm，槽壁厚为d₀＝0.25cm)，虚线为设计的弯曲路线，该弯曲的声场可以由如下的相位轮廓产生：

$\mathrm{\φ}\left(x\right)=k_0[\sqrt{{(x+r)}^2-r^2}-r\left(\frac{r}{x+r}\right)]$

则槽深度分布为：

$h\left(x\right)=h_0-\frac{1}{2}[\sqrt{{(x+r)}^2-r^2}-r\arccos \left(\frac{r}{x+r}\right)].$

Claims (7)

1.一种具有超宽带声学超常反射的声学材料，其特征在于：所述声学材料的表面上设置有依次排列的不同深度的槽，所述槽的宽度d均相同，其中，λ>2d，λ为声波的波长，相邻所述槽之间的距离为d₀，其中，d≥3d₀，建立x轴，所述x轴平行于所述表面并与所述槽垂直，其中，槽的深度为h(x)，其中，槽的深度由下式h(x)表示：

$h\left(x\right)=h_0-\frac{\mathrm{\φ}\left(x\right)}{{2k}_0}-(d+d_0)\sin \mathrm{\θ}$

其中，h₀为常数，x为不同深度的槽在x轴上投影的坐标，φ(x)为表面相位轮廓，k₀＝2π/λ为波数，(d+d₀)sinθ为补偿项，θ为声波入射角。

2.如权利要求1所述的具有超宽带声学超常反射的声学材料，其特征在于：所述槽的深度h(x)由下式表示

$h\left(x\right)=h_1-\frac{x\arcsin {\mathrm{\θ}}_r}{2}-(d+d_0)\sin \mathrm{\θ}$

其中，h₁为常数，x为不同深度的槽在x轴上投影的坐标，θ_r为声波反射角度，(d+d₀)sinθ为补偿项，θ为声波入射角。

3.如权利要求1所述的具有超宽带声学超常反射的声学材料，其特征在于：所述槽的深度h(x)由下式表示：

$h\left(x\right)=h_2-\frac{1}{2}\sqrt{{(x-x_0)}^2+{y_0}^2}-\left(d{+d}_0\right)\sin \mathrm{\θ}$

其中，h₂为常数，x为不同深度的槽在x轴上投影的坐标，(x₀,y₀)为声波聚焦点的坐标，(d+d₀)sinθ为补偿项，θ为声波入射角。

4.如权利要求1所述的具有超宽带声学超常反射的声学材料，其特征在于：所述槽的深度h(x)由下式表示：

$h\left(x\right)=h_3-\frac{1}{2}[\sqrt{{(x+r)}^2-r^2}-\mathrm{rarccoc}\left(\frac{r}{x+r}\right)]-(d+d_0)\sin \mathrm{\θ}$

其中，h₃为常数，x为不同深度的槽在x轴上投影的坐标，r为弯曲的声场的半径，(d+d₀)sinθ为补偿项，θ为声波入射角。

5.如权利要求1所述的具有超宽带声学超常反射的声学材料，其特征在于：所述槽垂直于所述表面。

6.如权利要求1所述的具有超宽带声学超常反射的声学材料，其特征在于：所述槽的宽度为0.75cm，相邻所述槽之间的距离为0.25cm。

7.如权利要求1所述的能够使超宽带声波重定向的声学材料，其特征在于：所述声学材料设置在背景媒介中，所述声学材料的声学阻抗大于100倍的所述背景媒介的声学阻抗。