CN107991644A

CN107991644A - 一种实现液体内声波重定向传播的亚波长结构

Info

Publication number: CN107991644A
Application number: CN201711164247.7A
Authority: CN
Inventors: 张赛; 许伯强; 陆伟; 何惠子
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2018-05-04

Abstract

一种实现液体内声波重定向传播的亚波长结构，涉及声学超声材料领域，通过构造声学超材料，在其厚度小于入射声波波长的条件下，实现水下入射声波传播方向的重新定向；所述声学超材料由一维流/固型衍射声栅和一维流/固型声子晶体耦合而成；所述声学超材料中，构成声栅的固体材料为不锈钢、铜、铝及高阻抗金属材料，构成声子晶体的固体材料为有机玻璃、环氧树脂、聚氯乙烯、硬橡胶及低阻抗非金属材料。本发明的结构简单，易于实现，对水下低频入射平面声波的重定向性能显著，有助于水声能流操控器件或设备朝着小型化方向发展，对水下目标探测、水声通信、水下信息安全等领域具有重要意义。

Description

一种实现液体内声波重定向传播的亚波长结构

技术领域

本发明涉及声学超材料领域，尤其是一种实现液体内声波重定向传播的亚波长结构。

背景技术

声波是水下能够实现远距离信息传输的唯一能量载体，水下声波传播方向的调控在水下目标探测、信息传递、水声安全等领域具有重要的学术意义和应用前景。实现水下低频声波波向调控的有效方法是利用换能器阵列技术控制每个阵元产生声波的相位与幅度，实现声波的波束偏转和聚焦等声学效应。然而，换能器阵列技术需要额外的外部电路及复杂的信号处理技术支持，具有有源、高功耗等特征；此外，为了实现低频声能流的波向调控，多阵元结构的整体尺寸往往显得较为庞大和臃肿，缺乏便利性。

近年来，一种称之为“声超常表面”的声学超材料基于广义斯涅耳定律，利用巧妙设计的相位梯度实现传播方向的改变。此类声学超表面结构具有亚波长、无源、低功耗等特征。不过，声学超表面主要针对空气中声波传播方向进行重定向，尚无法在水环境中对水下声波进行有效调控。

发明内容

本发明的目的是采用声学超材料，在调控结构厚度远小于入射声波波长的条件下，实现液体内声波传播方向的重定向调控。

本发明是通过以下技术方案得以实现的：

一种实现液体内声波重定向传播的亚波长结构，该亚波长结构由一维流/固型声栅和一维流/固型声子晶体耦合而成；所述一维流/固型声栅中的固体材料为不锈钢、铜或者铝；所述一维流/固型声子晶体中的固体材料为有机玻璃、环氧树脂、聚氯乙烯或者硬橡胶；所述亚波长结构的厚度在小于入射声波波长的条件下，可实现液体内入射声波传播方向的重新定向。

进一步的，所述亚波长结构从上至下依次为一维流/固型声栅和一维流/固型声子晶体；其中一维流/固型声栅为一层，一维流/固型声子晶体为数层。

进一步的，所述液体为水。

进一步的，所述一维流/固型声栅中的固体材料的密度大于水的密度，固体材料的横波声速高于水的纵波声速。

进一步的，所述一维流/固型声子晶体中的固体材料的固体密度不大于水的密度；固体横波声速低于水的纵波声速。

进一步的，所述一维流/固型声子晶体为1～4层。

进一步的，所述一维流/固型声子晶体为4层。

本发明的有益效果是：

(1)亚波长结构尺寸小于入射波长，重定向效果明显：对于特定入射频率范围的入射平面声波，可以构造小于入射声波最大波长的亚波长结构，可以使得入射声波在声子晶体一侧形成重定向单一波束。采用有限元方法数值模拟声波的重定向性能，证明本发明所提出的亚波长结构可以对较宽频率范围内的入射声波实施重定向，结构最薄可达λ/10(λ为入射波波长)，并且重定向波束透射能量为入射声波能量的50％。本发明结构虽简单，但对于低频入射平面声波的重定向性能显著，有助于突破水下声波调控结构存在的“波长-尺寸”限制，并促进水声能流操控器件或设备的小型化发展。

(2)适用于水下声波波束重定向调控：本发明利用声栅的低阶衍射效应和声子晶体的零点传输低频声禁带效应实现亚波长结构的水下声波传播方向重定向，不同于空气中声波重定向所采用的广义斯涅耳定律，因而可以适用于水下声波传播方向重定向调控。本发明所述的一种实现水下声波重定向传播的亚波长结构，能够用在水下目标探测器、水声通信发射器及相关水声能流控制器件。

附图说明

图1为本发明所述的实现液体内声波重定向传播的亚波长结构的三维示意图；

图2为声波重定向结构的z-y平面的二维示意图；

图3为频率分别为(a)30kHz、(b)40kHz、(c)50kHz m、(d)60kHz时，平面波以46°入射到亚波长结构时产生的声场分布；

图4为亚波长结构实现声波重定向原理图；

图5为声栅常数分别为(a)A＝0.0256m、(b)A＝0.0213m、(c)A＝0.0183m、(d)A＝0.0160m 时，频率为65kHz的平面波以41°入射到亚波长结构时产生的声场分布；

图6声子晶体周期数分别为(a)N＝4、(b)N＝3、(c)N＝2、(d)N＝1时，频率为65kHz的平面波以41°入射到亚波长结构时产生的声场分布。

附图标记如下：

1-声栅中的固体材料；2-声子晶体中的固体材料。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明方案作进一步说明，但本发明的保护内容并不局限于此。

一种实现水内声波重定向传播的亚波长结构，包括一维流/固型声栅和一维流/固型声子晶体，所述亚波长结构置放于水中，入射平面声波从声栅一侧入射到亚波长结构，从声子晶体一侧产生传播方向重定向；调整声栅常数A，可以针对不同频率段的入射声波传播方向重新定向；调整声子晶体周期数N可以实现不同厚度的亚波长重定向结构。

其中，声栅中的固体材料为不锈钢、铜、铝及其它高阻抗金属材料，其密度大于水的密度，其横波声速高于水的纵波声速；

其中，所述声子晶体中的固体材料为有机玻璃、环氧树脂、聚氯乙烯、硬橡胶及其它低阻抗非金属材料，其密度与水的密度相近，其横波声速低于水的纵波声速；所述声栅截面形状为矩形、圆形或椭圆形。声栅厚度和晶格周期均小于五分之一波长；声栅固体占空比和声子晶体固体占空比为0.05～0.95。

本发明中，采用基于COMSOL Multiphysics有限元仿真模拟亚波长结构的水下声波重定向效果与性能。

该亚波长结构适用频率范围广，给定声波频率，均可以设计出相应的声波传播重定向亚波长结构。

为了核实本发明所述一种实现液体内声波重定向传播的亚波长结构的声波重定向效果，采用有限元方法数值模拟声波重定向亚波长结构的性能，模拟过程及结果具体如下：

实施例1

结合附图1为本发明所述的实现水下声波重定向传播的亚波长结构的三维示意图，为了能够简化计算，可将三维示意图简化为z-y平面的二维模型，如图2所示。

结合附图2所示亚波长结构由一维流/固型声栅和一维流/固型声子晶体耦合而成，图2 中，声栅中的固体材料1在y方向上周期性重复；声子晶体中的固体材料2在z方向上周期性重复；白色背景区域为流体材料。声栅中的固体材料1厚度为d₁,宽度为a，声栅常数A即声栅在其周期方向上的一个周期对应的长度，声栅常数A周期性分布在y方向上；声子晶体中的固体材料2厚度为d₂,以晶格常数D周期性分布在z方向上，周期数N为4；一维流/ 固型声栅和一维流/固型声子晶体的耦合间距为d₀。

在实施例1中，设流体材料为水，声栅中的固体材料1为铜，声子晶体中的固体材料2 为环氧树脂；声栅中的固体材料1与声子晶体中的固体材料2材料的结构参数分别为：d₀＝1 mm，d₁＝2mm，d₂＝2mm，A＝30mm，D＝3mm。理论计算时所采用的材料参数分别为：铜的纵波声速4710m/s，横波声速2260m/s，密度8900kg/m³，环氧树脂的纵波声速2535m/s，横波声速1157m/s，密度1180kg/m³，水的声速1500m/s及密度1000kg/m³。

图3给出了频率为(a)30kHz、(b)35kHz、(c)45kHz m、(d)55kHz时，平面波以46°入射到图2所示亚波长结构时产生的声场分布。图3中亚波长结构左侧空心箭头为入射平面波传播方向，结构右侧线状箭头为重定向后的传播方向。可以看出，随着入射波频率的改变，重定向传播方向发生显著变化。

图4解释了上述亚波长结构能够实现低频入射声波传播方向重定向的基本原理。当水中的平面波以46°入射角入射到亚波长结构的一维流/固型声栅一侧时，在频率低于55kHz时，此时波长远大于结构整体厚度，仅形成0阶和-1阶低阶衍射波束。由环氧树脂和水构成的流固声子晶体将产生零点传输低频声禁带，其禁带角宽度范围为44°-47°。0阶衍射波将落入零点传输低频声禁带区域，导致无法透过一维流/固型声子晶体，以全反射的形式与入射波分布在亚波长结构的同一侧。而-1阶衍射声束的传播方向偏离0阶传播方向，且传播方向随频率的变化而改变，因而可以通过一维流/固型声子晶体形成单一透射波束，即重定向声波波束。图中，为负一阶波束的截止频率；为负一阶波束的截止频率，两截止频率决定了该亚波长结构实施声波重定向的频率范围，即：

实施例2

调整声栅常数A，可以针对不同频率段的入射声波传播方向重新定向；调整声子晶体周期数N可以实现不同厚度的亚波长重定向结构。

为了说明本发明对水下入射声波的重定向传播的可调控性，图5给出了声栅常数分别为 (a)A＝0.0256m、(b)A＝0.0213m、(c)A＝0.0183m、(d)A＝0.0160m时，频率为65kHz的平面波以41°入射到亚波长结构时产生的声场分布。在本例的仿真中，设亚波长结构中的声栅中的固体材料1为钢，其厚度d₁＝2mm，宽度a＝8mm；声子晶体的固体材料2为有机玻璃,其厚度d₂＝2mm，晶格常数D＝3mm。声栅和声子晶体的耦合间距d₀＝1mm。有限元仿真时所采用的材料参数分别为：钢的纵波声速6100m/s，横波声速3200m/s，密度7890kg/m³，有机玻璃的纵波声速2710m/s，横波声速1350m/s，密度1180kg/m³；水的声速1500m/s及密度1000kg/m³。可以看出，透射声波重定向角度可以通过声栅的调控实现重新定向，且重定向后的波束保持较完美的平面波波阵面，透射幅度高达50％。

实施例3

为了进一步说明本发明结构厚度的亚波长特性，图6给出了声子晶体周期数分别为(a) N＝4、(b)N＝3、(c)N＝2、(d)N＝1时，频率为65kHz的平面波以41°入射到亚波长结构时产生的声场分布。在本例的仿真中，材料参数同实施例2，所不同的是声子晶体周期数是减小的。可以看出，当声子晶体周期数降低时，声波重定向效果几乎没有改变，然而结构的整体厚度却变得更加紧凑，N＝1时，结构厚度约为λ/10。表明，本发明涉及的亚波长结构的波束重定向调控效应显著。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种实现液体内声波重定向传播的亚波长结构，其特征在于，该亚波长结构由一维流/固型声栅和一维流/固型声子晶体耦合而成；所述一维流/固型声栅中的固体材料为不锈钢、铜或者铝；所述一维流/固型声子晶体中的固体材料为有机玻璃、环氧树脂、聚氯乙烯或者硬橡胶；所述亚波长结构的厚度在小于入射声波波长的条件下，可实现液体内入射声波传播方向的重新定向。

2.根据权利要求1所述的实现液体内声波重定向传播的亚波长结构，其特征在于，所述亚波长结构从上至下依次为一维流/固型声栅和一维流/固型声子晶体；其中一维流/固型声栅为一层，一维流/固型声子晶体为数层。

3.根据权利要求2所述的实现液体内声波重定向传播的亚波长结构，其特征在于，所述液体为水。

4.根据权利要求3所述的实现液体内声波重定向传播的亚波长结构，其特征在于，所述一维流/固型声栅中的固体材料的密度大于水的密度，固体材料的横波声速高于水的纵波声速。

5.根据权利要求3所述的实现液体内声波重定向传播的亚波长结构，其特征在于，所述一维流/固型声子晶体中的固体材料的固体密度不大于水的密度；固体横波声速低于水的纵波声速。

6.根据权利要求2所述的实现液体内声波重定向传播的亚波长结构，其特征在于，所述一维流/固型声子晶体为1～4层。

7.根据权利要求6所述的实现液体内声波重定向传播的亚波长结构，其特征在于，所述一维流/固型声子晶体为4层。