CN106887224B - 一种数字声学超常材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字声学超常材料，包括若干个等效单元拼接而成，所述等效单元均由n×n个方格组成，n为正整数，方格内设有刚性边界单元和第一细槽单元或第二细槽单元，每个等效单元中仅包含第一细槽单元或第二细槽单元，第一细槽单元深度为
Figure DDA0001242423660000011
第一细槽单元的槽的截面积为S，第二细槽单元深度为
Figure DDA0001242423660000012
Figure DDA0001242423660000013
第二细槽单元的槽的截面积为S，其中，
Figure DDA0001242423660000014
λ为入射声波波长。本发明的一种数字声学超常材料，仅采用两种元件在矩形阵列中的不同排列，从而实现对于声场的任意操控并且能够大大简化现有的传统声学超常材料面临的复杂结构的问题。

Description

一种数字声学超常材料
技术领域
本发明涉及数字声学超常材料，属于声学材料领域。
背景技术
声学超常材料具有传统声学材料不具有的性质，可以对声波进行任意操控。声学超常材料广泛应用在声学颗粒悬浮或迁移、声学显示设备、医学超声检测和超声手术等各个领域。目前传统的声学超常材料通常为模拟的声学超常材料，通过改变复杂的结构来实现对参数的连续调节。传统的声学超常材料结构复杂，制造、维护成本，且不可以重复使用、一个装置只能应用于一种场合，不利于应用。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种数字声学超常材料，仅采用两种元件在矩形阵列中的不同排列，从而实现对于声场的任意操控并且能够大大简化现有的传统声学超常材料面临的复杂结构的问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种数字声学超常材料，包括若干个等效单元拼接而成，所述等效单元均由n×n个方格组成，n为正整数，方格内设有刚性边界单元和第一细槽单元或第二细槽单元，每个等效单元中仅包含第一细槽单元或第二细槽单元，第一细槽单元深度为
Figure BDA0001242423640000011
第一细槽单元的槽的截面积为S，第二细槽单元深度为
Figure BDA0001242423640000012
第二细槽单元的槽的截面积为S，其中，
Figure BDA0001242423640000013
Figure BDA0001242423640000014
λ为入射声波波长，每个等效单元中第一细槽单元的个数N或第二细槽单元的个数P由以下公式求得：
Figure BDA0001242423640000015
其中，m＝N(P)/M，M为每个等效单元内的方格的总数，M＝n2，
Figure BDA0001242423640000016
为刚性边界单元反射(注：阻抗远大于空气阻抗可以成为刚性边界单元，一般至少为100倍)的相位改变，值为0，
Figure BDA0001242423640000017
为等效单元的等效相位，A是等效单元的等效反射振幅，值为1，i为虚数单位，通过N和P在0到M之间连续变化，实现等效单元的等效相位
Figure BDA0001242423640000021
在2π范围内的连续调节。
作为优选，所述细槽单元为矩形波导管。
作为优选，所述矩形波导管的宽度d1<f/2c，其中，f为所述数字声学超常材料的工作频率，c为空气中声速。
作为优选，若干个细槽单元排列成矩形阵列。
作为优选，所述矩形波导壁厚小于七分之一矩形波导宽度。
有益效果：本发明的数字声学超常材料，仅通过将两种不同深度的细槽插入到矩形阵列内，从而构成等效单元，通过控制两种细槽在矩形块内的排列实现等效单元相位在2π范围内的连续改变；仅采用两种元件在矩形阵列中的不同排列，从而实现对于声场的任意操控并且能够大大简化现有的传统声学超常材料面临的复杂结构的问题。
附图说明
图1为第一细槽单元的结构示意图。
图2为一个等效单元的结构示意图。
图3为本发明实施例1相位分布示意图。
图4为本发明实施例1等效单元排列示意图。
图5为本发明实施例1示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的一种数字声学超常材料，包括若干个等效单元拼接而成，所述等效单元均由n×n个方格组成，n为正整数，方格内设有刚性边界单元和第一细槽单元或第二细槽单元，每个等效单元中仅包含第一细槽单元或第二细槽单元，第一细槽单元深度为
Figure BDA0001242423640000022
第一细槽单元的槽的截面积为S，第二细槽单元深度为
Figure BDA0001242423640000023
第二细槽单元的槽的截面积为S，其中，
Figure BDA0001242423640000024
λ为入射声波波长，每个等效单元中第一细槽单元的个数N或第二细槽单元的个数P由以下公式求得：
Figure BDA0001242423640000025
其中，m＝N(P)/M，M为每个等效单元内的方格的总数，M＝n2，
Figure BDA0001242423640000031
为刚性边界单元反射的相位改变，值为0，
Figure BDA0001242423640000032
为等效单元的等效相位，A是等效单元的等效反射振幅，值为1，i为虚数单位，N与
Figure BDA0001242423640000033
对应，P与
Figure BDA0001242423640000034
对应，通过N和P在0到M之间连续变化，实现等效单元的等效相位
Figure BDA0001242423640000035
在2π范围内的连续调节。
在本发明中，先有一个需要的相位分布，即目标，然后将所需要的相位离散化，每一小块即为一个等效单元，然后通过细槽在等效单元内的不同排列来构造这个等效单元，即先拼好每一个等效单元，然后在将他们拼到一起。
实施例1
入射声波频率为1000Hz，通过按照如图3中所示的相位分布来对所求等效单元进行排列，每个等效单元是5X5个细槽或刚性边界单元构成，每个最小单元的尺寸是7mm×7mm，每个等效单元的尺寸是35mm×35mm，排列方式按照如图4所示的罗马数字顺序将18个等效单元排列，其中1代表第一细槽单元，2代表第二细槽单元。图5为数值模拟结果图。等效单元中的等效相位在π到0之间的用第一细槽单元，等效相位在0到-π之间的用第二细槽单元，第一细槽单元或第二细槽单元优先向上向左排列。本文中选择的等效单元为5X5，每个方格的尺寸为7mm×7mm，我们所求的相位分布如图3所示，然后对相位分布离散化，所求得每个等效单元的等效相位，对应等效单元的相位改变为π时，所需的是第一细槽单元，其他同理可得，最后得到的等效单元的分布图，按照罗马数字的顺序从左向右从上到下如图4所示拼接成我们所需要的结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种数字声学超常材料，其特征在于：包括若干个等效单元拼接而成，所述等效单元均由n×n个方格组成，n为正整数，方格内设有刚性边界单元和第一细槽单元或第二细槽单元，每个等效单元中仅包含第一细槽单元或第二细槽单元，第一细槽单元深度为
Figure FDA0002834359800000011
第一细槽单元的槽的截面积为S，第二细槽单元深度为
Figure FDA0002834359800000012
第二细槽单元的槽的截面积为S，其中，
Figure FDA0002834359800000013
λ为入射声波波长，每个等效单元中第一细槽单元的个数N或第二细槽单元的个数P由以下公式求得：
Figure FDA0002834359800000014
其中，m＝N(P)/M，M为每个等效单元内的方格的总数，M＝n2，
Figure FDA0002834359800000015
为刚性边界单元的相位改变，值为0，
Figure FDA0002834359800000016
为等效单元的等效相位，A是等效单元的等效反射振幅，值为1，i为虚数单位，通过N和P在0到M之间连续变化，实现等效单元的等效相位
Figure FDA0002834359800000017
在2π范围内的连续调节，其中，
Figure FDA0002834359800000018
为
Figure FDA0002834359800000019
或者
Figure FDA00028343598000000110
的含义，N(P)为N或者P的含义，
Figure FDA00028343598000000111
对应N，
Figure FDA00028343598000000112
对应P。
2.根据权利要求1所述的数字声学超常材料，其特征在于：所述第一细槽单元和第二细槽单元为矩形波导管。
3.根据权利要求2所述的数字声学超常材料，其特征在于：所述矩形波导管的宽度d1＜f/2c，其中，f为所述数字声学超常材料的工作频率，c为空气中声速。
4.根据权利要求2所述的数字声学超常材料，其特征在于：若干个细槽单元排列成矩形阵列。
5.根据权利要求2所述的数字声学超常材料，其特征在于：所述矩形波导管壁厚小于七分之一矩形波导宽度。
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