CN109448693B - 一种可同时调控振幅与位相的声学超表面 - Google Patents

一种可同时调控振幅与位相的声学超表面 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可同时调控振幅与位相的声学超表面，包括：多个结构单元；多个结构单元在同一平面并行排列，并且在排列时，多个结构单元相互连接成为一个整体；所述结构单元包括：实体部和空心部；实体部内部设置有一条折叠通道，空心部沿轴线方向中空；折叠通道由起始段、中间段和尾段三段组成；起始段为入口连接通道，中间段是由若干个矩形框组成的方波形通道，连接中间段和外界；入口连接通道和出口连接通道分别位于实体部的后端面和前端面的中心位置。本发明的有益效果是：本发明所提出的声学超表面可同时全范围的调控出射声波的振幅与相位，可用于声学全息和声学幻相，而且变化的参量少，变化规律明显，具有很高的工业应用价值。

Description

一种可同时调控振幅与位相的声学超表面
技术领域
本发明涉及声学材料技术领域，尤其涉及一种可同时调控振幅与位相的声学超表面。
背景技术
目前，声波的位相振幅调控十分热门，它在声学全息技术与声学幻相中具有广泛的前景。近十年来，声学超表面在声波透射和反射调控方面已经取得了一些进展，已经实现了全范围反射和透射位相调控。然而在同时调控声波的振幅与位相方面，相关工作仍然较少，实现振幅与位相的全范围调控仍然比较困难。由于声学全息技术与声学幻相中需要同时考虑声波位相与振幅的调控，因此，不具备全范围振幅与位相同时调控功能的声学超表面难以满足声学全息与声学幻相的要求。
发明内容
为了解决在同时调控声波的振幅与位相方面，相关工作仍然较少，实现振幅与位相的全范围调控仍然比较困难的问题，本发明提供了一种可同时调控振幅与位相的声学超表面，包括多个结构单元，多个结构单元在同一平面并行排列，并且在排列时，多个结构单元相互连接成为一个整体；
所述结构单元包括：实体部和空心部；实体部的一端连接空心部的一端；实体部内部设置有一条折叠通道，空心部沿轴线方向中空；
所述折叠通道由起始段、中间段和尾段三段组成；起始段为入口连接通道，两端分别连接空心部和中间段的一端；中间段是由若干个相同的矩形框依次连接组成的方波形通道；尾段为出口连接通道，两端分别连接中间段的另一端和外界；入口连接通道和出口连接通道分别位于实体部的后端面和前端面的中心位置。
进一步地，任意相邻的两个所述矩形框中心对称。
进一步地，所述结构单元的总高度L为：L＝0.75λ0；结构单元的长度p为：p＝5λ0/34；其中，λ0为声波在空气中的波长。
进一步地，所述入口连接通道、方波形通道和出口连接通道的通道宽度d均相同。
进一步地，所述中间段的矩形框长为W1＝0.5w+d，w的取值范围为(d,p)，d为通道宽度，p为结构单元长度。
进一步地，所述矩形框的高、入口连接通道的长、出口连接通道的长均为
Figure BDA0001919582720000021
h为折叠通道的总高度，m为所述矩形框的总个数加1，d为通道宽度，结构单元的总高度L；所述空心部的高度为H＝L-h，且H＝iλ0/2N,(i＝0,1,...N)，N为正整数。
进一步地，在所述折叠通道中填充空气作为声波传输的介质。
进一步地，p、d、L、h的设定公式如下：
Figure BDA0001919582720000022
上式中，T和
Figure BDA0001919582720000023
为需要得到的透射率和位相；
Figure BDA0001919582720000024
为有效阻抗；Leff为声波在弯曲缝层中传播的有效路径；
Figure BDA0001919582720000025
c0为声波在空气中的传播速度,大小为340m/s，f为工作频率。
进一步地，通过调节空心部的高度H与所述中间段的矩形框的长来实现声波的全范围振幅和位相调控。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所提出的声学超表面可同时全范围的调控出射声波的振幅与相位，可用于声学全息和声学幻相，而且变化的参量少，变化规律明显，具有很高的工业应用价值。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种可同时调控振幅与位相的声学超表面的示意图；
图2是本发明实施例中结构单元的立体示意图；
图3是本发明实施例中结构单元的二维结构参数示意图；
图4(a)是本发明实施例中不同参数结构单元组成的超表面的立体图示意图；
图4(b)是本发明实施例中不同参数结构单元组成的超表面的正视图；
图5(a)是本发明实施例中出射面处透射声波相对振幅与位相的关系图1；
图5(b)是本发明实施例中出射面处透射声波相对振幅与位相的关系图2；
图5(c)是本发明实施例中出射面处透射声波相对振幅与位相的关系图3；
图6(a)是本发明实施例中工作频率下结构单元的压强场示意图1；
图6(b)是本发明实施例中工作频率下结构单元的压强场示意图2；
图6(c)是本发明实施例中工作频率下结构单元的压强场示意图3；
图7是本发明实施例中工作频率下数值仿真的刚体散射的压强场和超表面模拟的声学幻相的压强场示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种可同时调控振幅与位相的声学超平面。
请参考图1，图1是本发明实施例中一种可同时调控振幅与位相的声学超平面的结构示意图，包括：多个结构单元1；其中，多个结构单元1在同一平面并行排列，并且在排列时，多个结构单元1相互连接成为一个整体；
此处，两个结构单元1之间相互连接的方式可以是粘接；
请参照图2和图3所示，分别为结构单元1的立体结构图和二维结构参数示意图；结构单元1包括：实体部11和空心部12；实体部11的一端连接至空心部12的另一端；实体部11内部设置有一条折叠通道110，空心部12沿轴线方向中空；所述结构单元1为长方体。
所述结构单元1的总高度L为：L＝0.75λ0，结构单元2的长度p为：p＝5λ0/34；其中，λ0为声波在空气中的波长。
所述折叠通道110由起始段111、中间段112和尾段113三段组成；起始段111为入口连接通道，两端分别连接空心部12和中间段112的一端；中间段112是由若干个相同的矩形框依次连接组成的方波形通道；尾段113为出口连接通道，两端分别连接中间段112的一端和外界；入口连接通道和出口连接通道分别位于实体部11的后端面14和前端面13的中心位置；所述入口连接通道、方波形通道和出口连接通道的通道宽度均相同。
所述中间段112的矩形框长为W1＝0.5w+d，w的取值范围为(d,p)。
所述矩形框的高、入口连接通道的长、出口连接通道的长均为h1＝(L-h-d*m)/(m+1)，h为折叠通道110的总高度，m为所述矩形框的总个数加1；所述空心部12的高度为H＝L-h，其中H＝iλ0/2N,(i＝0,1,...N)，N为任意正数；
在所述折叠通道110中填充空气作为声波传输的介质，也可以填充其它可用于声波传输的介质。
所述入口连接通道、方波形通道和出口连接通道的通道缝隙宽度d可以进行调节，本发明实施例中取d＝0.1p。
所述折叠通道110的等效介质参数关系如下式所示：
Figure BDA0001919582720000041
上式中，Zeff为有效阻抗，Leff为声波在弯曲缝层中传播的有效路径。声波通过所述结构单元1的的透射率T和位相
Figure BDA0001919582720000042
的公式如下：
Figure BDA0001919582720000043
上式中，
Figure BDA0001919582720000044
c0为声波在空气中的传播速度，大小为340m/s，f为工作频率。
可以通过调节改变空心部12的高度H与所述矩形框的长W1来实现全范围振幅和位相调控(如图4(a)和图4(b)所示分别为不同参数的H和W1的结构单元1组合成的超表面的立体图和剖视图)。
图5(a)是空心部12的高度H为0或者0.5λ0时，w的取值在(d,p)内变化时，出射面(前端面13)处透射声波相对振幅A/A0(A0为入射声波的振幅)与位相的关系图。当结构单元1的参数L、d、p、h保持不变，只改变w时，透射声波相对振幅与位相的关系为阴影区域下边界所示曲线；当L、p、h保持不变，w和d同时改变时，相对振幅与位相在阴影区域变化；当空心部12的高度H为0.5λ0时，只改变w或者w与d都改变，透射声波相对振幅与位相的关系所对应的曲线或者阴影区域重合。
图5(b)是空心部12的高度H分别等于0、0.25λ0时，w的取值在(d,p)内变化时，出射面(前端面13)处透射声波相对振幅与位相的关系图。当结构单元1的参数L、d、p、h保持不变，只改变w时，透射声波相对振幅与位相的关系为阴影区域下边界所示曲线；当L、p、h保持不变，w和d同时改变时，相对振幅与位相在阴影区域变化；当L、d、p保持不变，H从0变为0.25λ0，w的取值在(d,p)内变化时，相对振幅与位相的关系曲线从阴影区域下边界向右平移为灰色区域下边界；当L、p保持不变，H从0变为0.25λ0，w的取值在(d,p)内变化时，d也改变时，相对振幅与位相可以取到阴影区域与灰色区域中所有的点。
图5(c)是空心部12的高度H＝iλ0/2N,(i＝0,1,...N)，其中N＝8，w的取值在(d,p)内变化时，出射面(前端面13)处透射声波相对振幅与位相的关系图。当结构单元1的参数L、d、p、h保持不变，只改变w时，透射声波相对振幅与位相的关系为阴影区域下边界所示曲线；当L、p、h保持不变，w和d同时改变时，相对振幅与位相在阴影区域变化；当L、p保持不变，H从0到0.5λ0变化，每隔0.125λ0取一个值，w的取值在(d,p)内变化时，d也改变时，相对振幅与位相可以取到阴影区域与灰色区域中所有的点。由此可以看出，当N足够大时，出射声波的相对振幅与位相分布的区域可以覆盖整个变化范围，即
Figure BDA0001919582720000061
可以取[0,2π]中的任意值，A/A0可以取[0,1]中的任意值，即可以实现全范围透射声波的振幅与位相同时调控。
图6(a)、图6(b)和图6(c)为本发明实施例中工作频率下超表面的压强场。图6(a)对应的振幅为1透射位相为π的情况，这个单元H＝0，w为0.0953λ0，折叠通道110没有进行压缩；图6(b)对应的振幅为1，透射位相不为π，折叠通道110压缩了3λ0/17，w为0.1131λ0；最图6(c)对应的透射位相为π，振幅为0.49，折叠通道110也压缩了3λ0/17，w为0.1068λ0。
图7为本发明实施例中工作频率下超表面数值仿真的声学幻相的压强场。其中左图是大小为2Pa的点源在坐标为(0,-5.8824λ0)处入射经过处于(0,-2.9412λ0)大小为-1.4706λ0的正方形刚体的散射压强场。右图是大小为2Pa的点源在坐标为(0,-5.8824λ0)处入射经过处于Y＝0同时调控透射声波振幅与位相的40个结构单元1形成的超表面FAM的压强场，其中压强的变化范围是[-1,1]。
可以看出：这种可调节参数进行压缩的结构单元1组成的超表面可以实现全范围透射声波的振幅与位相同时调控，而且变化的参量少，变化规律明显，在本发明的基本原理指导下，可以很好的实现对透射声波的调控。
本发明的有益效果是：本发明所提出的声学超表面可同时全范围的调控出射声波的振幅与相位，可用于声学全息和声学幻相，而且变化的参量少，变化规律明显，具有很高的工业应用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可同时调控振幅与位相的声学超表面，其特征在于：包括多个结构单元(1)，多个结构单元(1)在同一平面并行排列，并且在排列时，多个结构单元(1)相互连接成为一个整体；
所述结构单元(1)包括：实体部(11)和空心部(12)；实体部(11)的一端连接空心部(12)的一端；实体部(11)内部设置有一条折叠通道(110)，空心部(12)沿轴线方向中空；
所述折叠通道(110)由起始段(111)、中间段(112)和尾段(113)三段组成；起始段(111)为入口连接通道，两端分别连接空心部(12)和中间段(112)的一端；中间段(112)是由若干个相同的矩形框依次连接组成的方波形通道；尾段(113)为出口连接通道，两端分别连接中间段(112)的另一端和外界；入口连接通道和出口连接通道分别位于实体部(11)的后端面(14)和前端面(13)的中心位置；
所述结构单元(1)的总高度L为：L＝0.75λ0；结构单元(1)的长度p为：p＝5λ0/34；其中，λ0为声波在空气中的波长。
2.如权利要求1所述的一种可同时调控振幅与位相的声学超表面，其特征在于：任意相邻的两个所述矩形框中心对称。
3.如权利要求1所述的一种可同时调控振幅与位相的声学超表面，其特征在于：所述入口连接通道、方波形通道和出口连接通道的通道宽度d均相同。
4.如权利要求1所述的一种可同时调控振幅与位相的声学超表面，其特征在于：所述中间段(112)的矩形框长为W1＝0.5w+d，w的取值范围为(d,p)，d为通道宽度，p为结构单元(1)长度。
5.如权利要求1所述的一种可同时调控振幅与位相的声学超表面，其特征在于：所述矩形框的高、入口连接通道的长、出口连接通道的长均为
Figure FDA0003904578490000011
h为折叠通道(110)的总高度，m为所述矩形框的总个数加1，d为通道宽度，结构单元(1)的总高度L；所述空心部(12)的高度为H＝L-h，且H＝iλ0/2N,(i＝0,1,K N)，N为正整数。
6.如权利要求1所述的一种可同时调控振幅与位相的声学超表面，其特征在于：在所述折叠通道(110)中填充空气作为声波传输的介质。
7.如权利要求1所述的一种可同时调控振幅与位相的声学超表面，其特征在于：p、d、L、h的设定公式如下：
Figure FDA0003904578490000021
上式中，T和
Figure FDA0003904578490000022
为需要得到的透射率和位相；
Figure FDA0003904578490000023
为有效阻抗；Leff为声波在弯曲缝层中传播的有效路径；
Figure FDA0003904578490000024
c0为声波在空气中的传播速度,大小为340m/s，f为工作频率。
8.如权利要求1所述的一种可同时调控振幅与位相的声学超表面，其特征在于：通过调节空心部(12)的高度H与所述中间段(112)的矩形框的长来实现声波的全范围振幅和位相调控。
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