CN109532183B - 一种声波无反射材料的制备方法、装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备声波无反射材料的方法，由两种具有不同空气含量的硅胶材料A和B在一个方向上以最小重复单元等周期排序堆叠形成，最小重复单元为ABA结构，其中A空气含量较少，代表快声速材料，B空气含量较大，代表慢声速材料，且各最小重复单元中A的厚度h_A均相同，B的厚度h_B均相同；声波以不同入射角度入射时，依据透射公式，计算对应的h_A，h_B使得所述复合材料的声学阻抗与背景材料的声学阻抗匹配；快声速材料和慢声速材料的体弹模量具有声波吸收因子。由本发明声波无反射材料的制备方法制造的声波无反射传输装置，通过调节一系列的参数，能够实现各个工作频率下的宽角度，宽频域的声波完美吸收，吸收率大于99％。本发明能够实现宽角度、宽频域的声波完美吸收，根据该装置设计的吸声膜结构具有超薄性，可减少重量，节省材料，降低生产成本。

Description

一种声波无反射材料的制备方法、装置及应用

技术领域

本发明涉及声波吸收技术领域，具体涉及一种声波无反射材料的制备方法、装置及应用。

背景技术

每秒钟振动的次数称为声音的频率，单位是赫兹(Hz)。人耳能听到的声波频率是20Hz-20000Hz。因此，高于20000Hz的声波称为“超声波”。

超声波表现出了不同于其它声波的特殊性质：方向性好，能量集中，穿透能力强，在水中传播距离远等，使其在测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等领域有着广泛的应用。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。1MHz＝10⁶Hz(1兆赫兹等于10万赫兹)。频率为1MHz-30MHz的超声波通常用于医学诊断。其中，兆赫兹级超声波吸收材料称为研究的热点。

普通吸声材料的实现方式上通常采用共振吸声结构或渐变过渡式结构。为了提高材料的内损耗，一般在材料中混入含有大量气泡的填料或增加金属微珠等。普通吸声材料按吸声机理分为：

1.靠从表面至内部许多细小的敞开孔道使声波衰减的多孔材料，以吸收中高频声波为主，有纤维状聚集组织的各种有机或无机纤维及其制品以及多孔结构的开孔型泡沫塑料和膨胀珍珠岩制品；

2.靠共振作用吸声的柔性材料(如鼻孔型泡沫塑料，吸收中频)、膜状材料(如塑料膜或布、帆布、漆布和人造革，吸收中频)、板状材料(如胶合板、硬质纤维板、石棉水泥板和石膏板，吸收低频)和穿孔板(各种板状材料或金属板上打孔而制得，吸收中频)。

以上材料复合使用，可扩大细声范围，提高吸声系数。然而，由于这些材料的阻抗与水的阻抗不匹配，反射波总是存在，因此难以实现对超声波的完美吸收。而且，对于大角度入射或是宽频域的声波，普通吸声材料吸收能力有限，同时其复杂的结构也会大大增加设计难度和制备成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种制造声波无反射的材料的方法，以及一种能够使声波无反射传输的装置，以及该装置的一种能够实现兆赫兹级声波宽角度、宽频域吸收的应用。

为达到上述目的，本发明提供了一种制造声波无反射的材料的方法，包含步骤：

选择基体材料，在所述基体材料中填充空气；

选取具有不同空气含量的A基体材料和B基体材料在一个方向上排序形成复合材料，所述复合材料具有对称设置的ABA结构；

选择背景介质，声波在所述背景介质中具有目标频率f₀；

选择所述声波入射角度θ₀；

对于f₀以及θ₀，确定下式声波入射到所述复合材料上的透射率为1时，所需的A基体材料的厚度h_A，B基体材料的厚度h_B，以及A基体材料中的空气含量和B基体材料中的空气含量

其中，

M为所述复合材料的二阶透射矩阵，M＝M₁·M₂·M₃·M₀，σ_j＝(-2·π/λ₀)·n_j·h_j·cos(θ_i(j+1))，j＝0,1,2,3，依次对应第零层背景介质，第一层A介质，第二层B介质，第三层A介质；n表示介质折射率；h表示介质厚度；

η_j＝n_j·cos(θ_i(j+1))，η_G＝n_G·cos(θ_t)，η₀和η_G分别为所述背景介质的入射导纳和出射导纳，θ_i表示所述声波入射到介质上的入射角，θ_t表示所述声波从所述ABA结构出射时的出射角；

将h_A，h_B，和施加到所述复合材料上。

进一步地，所述A基体材料的声速和所述B基体材料的声速均小于所述背景介质的声速。

本发明还提供了一种使声波在背景介质中无反射传输的装置，其中，该装置由N个如权利要求1所述的方法制造的声波无反射材料在一个方向上排序形成，N为大于等于1的整数。

本发明还提供了一种如权利要求3所述的声波无反射传输装置的应用，用于吸收超声波段的声波。

进一步地，所述A基体材料和所述B基体材料的体弹模量分别为κ+i×m×κ和κ+i×n×κ；

其中，κ＝ρ·c²，ρ为材料的密度，c为声波在材料中的速度，m,n为声波吸收因子，i为虚数单位。

进一步地，所述背景介质为水。

进一步地，所述装置在8MHz～12.5MHz频率附近吸收部分或全部入射声波。

进一步地，所述装置在10MHz频率附近吸收全部入射声波。

借由上述方案，本发明的技术方案至少具有以下优点：

本发明将两种具有不同空气含量的材料在一个方向上以最小重复单元ABA结构的方式等周期排布，调整两种材料的厚度，使得入射声波在不同频域下的阻抗与背景材料的阻抗匹配，完全消除声波的反射，得到声波无反射的材料；

进一步地，将该ABA结构的材料在一个方向上周期排布，得到声波无反射的装置；

进一步地，通过在材料中的体弹模量中引入声波吸收因子，得到该声波无反射装置的应用，以在宽角度、宽频域范围内实现兆赫兹级声波的100％吸收。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明的实施例1与实施例1中仅含快声速材料在10MHz下的声波吸收率随入射角度的变化示意图；

图3是本发明实施例1的声波吸收率随频率和入射角度的变化示意图；

图4是本发明的实施例2与实施例2中仅含慢声速材料在10MHz下的声波吸收率随入射角度的变化示意图；

图5是本发明实施例2的声波吸收率随频率和入射角度的变化示意图；

图6是本发明的实施例3与实施例3中仅含快声速材料或仅含慢声速材料在10MHz下的声波吸收率随入射角度的变化示意图；

图7是本发明实施例3的声波吸收率随频率和入射角度的变化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

通常，由于水和普通吸收材料的质量密度ρ和声速c不同，使得两者的阻抗不能匹配，导致表面反射的产生和不完美吸收。然而，研究发现，在合理的设计下，快声速材料和慢声速材料的配合能够使得声波共振模态的平滑过渡和阻抗的全角度的完全匹配。

由于本发明的声波无反射复合材料是一维对称结构，因此制备该声波无反射复合材料的最小重复单元的具体骤如下：

S1、选择基体材料，在所述基体材料中填充空气；

S2、选取具有不同空气含量的A基体材料和B基体材料在一个方向上排序形成复合材料，所述复合材料具有对称设置的ABA结构，空气含量较小的为快声速材料，空气含量大的为慢声速材料；

S3、选择背景介质，声波在所述背景介质中具有目标频率f₀；

S4、选择所述声波入射角度θ₀；

S5、对于f₀以及θ₀，确定下式声波入射到所述复合材料上的透射率为1时，所需的A基体材料的厚度h_A，B基体材料的厚度h_B，以及A基体材料中的空气含量和B基体材料中的空气含量

其中，因此A基体材料为快声速材料，B基体材料为慢声速材料；

M为所述复合材料的二阶透射矩阵，M＝M₁·M₂·M₃·M₀，σ_j＝(-2·π/λ₀)·n_j·h_j·cos(θ_i(j+1))，j＝0,1,2,3，依次对应第零层背景介质，第一层A介质，第二层B介质，第三层A介质；n表示介质折射率；h表示介质厚度；

η_j＝n_j·cos(θ_i(j+1))，η_G＝n_G·cos(θ_t)，η₀和η_G分别为所述背景介质的入射导纳和出射导纳，θ_i表示所述声波入射到介质上的入射角，θ_t表示所述声波从所述ABA结构出射时的出射角；

S6、将h_A，h_B，和施加到所述复合材料上。

将该最小重复单元在某一方向上进行周期性排布后便能得到相应的声波无反射传输的装置，再在A基体材料和B基体材料中引入声波吸收因子后便能实现声波的完美吸收。接下来将以水为背景介质结合相关实施例进行具体的说明，以下实施例中，快声速材料的声速和慢声速材料的声速均小于背景材料(水)的声速。

实施例1

如图1所示，本实施例所述的声波吸收复合材料由两种具有不同声速的材料在一个方向上以最小重复单元等周期排序形成，所述两种材料至少一种具有声波吸收因子；所述最小重复单元为ABA对称结构，其中A代表快声速材料，B代表慢声速材料，且各最小重复单元中的A与B的厚度分别相同；不同频率下，调整所述快声速材料和/或所述慢声速材料在所述最小重复单元中的厚度，使得所述复合材料的阻抗与背景材料的阻抗匹配；N为最小重复单元的周期数。

本实施例中，取掺入少量空气的硅胶作为快声速材料，该硅胶的密度为ρ₁＝1040kg/m³，声速为c₁＝1074m/s，因此对应的体弹模量为κ₁+i×m×κ₁＝1.2×10⁹+i×1.2×10⁷kg/(m·s²)，其中，κ₁＝ρ₁·c₁ ²，m为1％；取掺入大量空气的硅胶为慢声速材料，该硅胶的密度为ρ₁＝1039kg/m³，声速为c₁＝518m/s，对应的体弹模量为κ₂+i×n×κ₂＝2.8×10⁸kg(m·s²)，κ₂＝ρ₂·c₂ ²，取声波吸收因子n趋近于0；最小重复单元(ABA)结构中的各材料厚度分布为(18.01μm 22.26μm 18.01μm)，周期数N＝200，将上述参数代入透射矩阵法计算得出，阻抗完全匹配(声波反射为0)时的频率为f＝10MHz，并绘制了本实施例与本实施例中仅含该快声速材料在10MHz下的声波吸收率随入射角度的变化示意图。如图2所示，图中实线表示，随着入射角度的增大，声波吸收复合材料的吸收率始终保持在99％以上，直到入射角度大于80°，吸收率才明显下降；作为比对，圆点线表示仅含该快声速材料的同等厚度的材料对兆赫兹超声波的吸收率，虽然在小角度情况下吸收大于95％，但是当角度超过45°时，吸收率快速减小，吸收效果不佳。

图3给出了本实施例的声波吸收率随频率和入射角度的变化示意图。图中黑色区域表示近100％的完美吸收，白色区域代表低吸收，结果表明，本实施例能在宽频率8MHz～12.5MHz情况下实现宽角度的完美吸收。

以上结果表明，本实施例能够实现声波宽频宽角度的完美吸收。

实施例2

本实施例的结构与实施例1的结构相同，但取快声速材料中的声波吸收因子m趋近于0，得对应的体弹模量为κ₁＝1.2×10⁹kg/(m·s²)，取慢声速材料的声波吸收因子n＝1％，得对应的体弹模量为κ₂+i×n×κ₂＝2.8×10⁸+i×2.8×10⁶kg(m·s²)，阻抗完全匹配时的频率为f＝10MHz，并绘制了本实施例与本实施例中仅含该慢声速材料在10MHz下的声波吸收率随入射角度的变化示意图。如图4所示，图中实线表示，随着入射角度的增大，声波吸收复合材料的吸收率始终保持在99％以上，直到入射角度大于80°，吸收率才明显下降；作为比对，三角点线表示仅含该慢声速材料的同等厚度的材料对兆赫兹超声波的吸收率，吸收效果明显不佳。

图5给出了本实施例的声波吸收率随频率和入射角度的变化示意图。图中黑色区域表示近100％的完美吸收，白色区域代表低吸收，结果表明，本实施例能在宽频率8MHz～12.5MHz情况下实现宽角度的完美吸收。

以上结果表明，本实施例能够实现声波宽频宽角度的完美吸收。

实施例3

本实施例的结构与实施例1和实施例2的结构相同，但取快声速材料和慢声速材料的声波吸收因子m,n均为1％，得对应的体弹模量分别为1.2×10⁹+i×1.2×10⁷kg/(m·s²)和2.8×10⁸+i×2.8×10⁶kg(m·s²)，阻抗完全匹配时的频率为f＝10MHz，并绘制了本实施例与本实施例中仅含该快声速材料或仅含该慢声速材料在10MHz下的声波吸收率随入射角度的变化示意图。如图6所示，图中实线表示随着入射角度的增大，本实施例的声波吸收复合材料的吸收率始终保持在99％以上，直到入射角度大于80°，吸收率才明显下降；作为比对，圆点线表示仅含该快声速材料的同等厚度的材料对兆赫兹超声波的吸收率，三角点线表示仅含该慢声速材料的同等厚度的材料对兆赫兹超声波的吸收率，可以看到，该两种材料的吸收效果均不如本实施例的声波吸收复合材料。

图7表示本实施例的声波吸收率随频率和入射角度的变化示意图。图中黑色区域表示近100％的完美吸收，白色区域代表低吸收，结果表明，本实施例能在宽频率8MHz～12.5MHz情况下实现宽角度的完美吸收。

以上结果表明，本实施例能够实现声波宽频宽角度的完美吸收。

本发明在使用时，可通过镀膜的方式将本发明的快声速材料和慢声速材料层层镀覆在材料表面，以实现宽角度、宽频域的声波的完美吸收。

本发明将两种具有不同声速的材料在一个方向上以最小重复单元ABA结构的方式等周期排布，调整两种材料的厚度，使得入射声波在不同频域下的阻抗与背景材料的阻抗匹配，完全消除声波的反射，并在宽角度、宽频域范围内实现入射声波的100％吸收。该复合材料结构简单，大大节省了材料，降低了吸声材料的制备成本。根据本发明设计的吸声膜结构具有超薄性，可减少装置的重量，节省了材料，降低了制备成本。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种声波无反射材料的制备方法，其特征在于，包含步骤：

选择基体材料，在所述基体材料中填充空气；

选取具有不同空气含量的A基体材料和B基体材料在一个方向上排序形成复合材料，所述复合材料具有对称设置的ABA结构；

选择背景介质，声波在所述背景介质中具有目标频率f₀；

选择所述声波入射角度θ₀；

对于f₀以及θ₀，确定下式声波入射到所述复合材料上的透射率为1时，所需的A基体材料的厚度h_A，B基体材料的厚度h_B，以及A基体材料中的空气含量和B基体材料中的空气含量

其中，

M为所述复合材料的二阶透射矩阵，M＝M₁·M₂·M₃·M₀，σ_j＝(-2·π/λ₀)·n_j·h_j·cos(θ_i(j+1))，j＝0,1,2,3，依次对应第零层背景介质，第一层A介质，第二层B介质，第三层A介质；n表示介质折射率；h表示介质厚度；

η_j＝n_j·cos(θ_i(j+1))，η_G＝n_G·cos(θ_t)，η₀和η_G分别为所述背景介质的入射导纳和出射导纳，θ_i表示所述声波入射到介质上的入射角，θ_t表示所述声波从所述ABA结构出射时的出射角；

将h_A，h_B，和施加到所述复合材料上。

2.根据权利要求1所述的声波无反射材料的制备方法，其特征在于：所述A基体材料的声速和所述B基体材料的声速均小于所述背景介质的声速。

3.一种使声波无反射传输的装置，其特征在于，该装置由N个如权利要求1所述的方法制造的声波无反射材料在一个方向上排序形成，N为大于等于1的整数。

4.一种如权利要求3所述的使声波无反射传输的装置的应用，其特征在于：用于吸收超声波段的声波。

5.根据权利要求4所述的使声波无反射传输的装置的应用，其特征在于：所述A基体材料和所述B基体材料的体弹模量为κ+i×m×κ；

其中，κ＝ρ·c²，ρ为材料的密度，c为声波在材料中的速度，m为声波吸收因子，i为虚数单位。

6.根据权利要求4所述的使声波无反射传输的装置的应用，其特征在于：所述背景介质为水。

7.根据权利要求6所述的使声波无反射传输的装置的应用，其特征在于：所述装置在8MHz～12.5MHz频率附近吸收部分或全部入射声波。

8.根据权利要求7所述的使声波无反射传输的装置的应用，其特征在于：所述装置在10MHz频率附近吸收全部入射声波。