CN109884188B

CN109884188B - 基于惠更斯声学超材料的宽带声束调控系统

Info

Publication number: CN109884188B
Application number: CN201910166470.8A
Authority: CN
Inventors: 张鹏嵩; 曹海林; 杨林华; 武小栋; 张磊; 张景川; 韩潇; 赵越阳
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2019-03-06
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2039-03-06
Also published as: CN109884188A

Abstract

本发明公开了一种基于惠更斯声学超材料的宽带声束调控单元结构，该结构包括基底材料以及位于该基底材料上的结构单元阵列。本发明通过引入补偿相位因子，通过调控激励信号的工作频率，可以将焦点在中心位置附近移动，利用声学超材料亚波长成像的独特优势的同时摒弃了传统相控阵需要排布大量传感器的复杂方案，为结构健康监测无损探伤提供了新的方式。

Description

基于惠更斯声学超材料的宽带声束调控系统

技术领域

本发明属于声波控制技术领域，具体而言，本发明涉及一种声学超材料结构单元及其声束调控，所要解决的问题是通过对结构和超材料微结构单元设计，即惠更斯超材料的设计，达到对声波在结构中传播特性的动态扫描控制，以利于实现针对在结构健康监测中结构损伤的探测。

背景技术

航天器的结构损伤是航天器失事的主要原因之一，常见的航天器上的损伤形式主要包括金属结构的断裂、弯曲、变形、腐蚀、磨损，复合材料结构的基体开裂和层间分层。热防护材料的振裂、脱落和涂层失效或开裂，不同材料之间接头结构的粘接、机械连接失效等。如能对航天器结构故障进行有效诊断，势必会减少安全事故的发生。结构健康监测技术正是适应上述要求，于19世纪80年代初，首次提出应用到航空领域。此后，结构健康监测技术在航天业不断发展。现国内外的民用航空领域，均已将结构健康监测技术视为保障提高飞机安全性、降低维护费用的关键技术。基于相控阵的超声导波的诊断成像技术可以直观显示损伤位置及适用于复合材料的特点，适应了现代航天器结构的发展趋势，因此成为了结构健康监测领域的一个研究热点。然而一方面基于远场行进波的超声波成像一般无法突破衍射极限，导致成像质量不高，另一方面，相控阵技术方案复杂度较高，实施时需要大量的传感器，限制了在结构健康监测的应用。因此，针对结构中弹性波传播控制，研究相控阵技术的替代方案并实现亚波长成像，对于更好的开展航天器结构健康监测工程应用具有重要的科学和工程意义。

根据文献Nanfang Yu(Light propagation with phase discontinuitiesgeneralized laws of reflection and refraction)提出的广义的斯涅尔折射定律公式(1)，在给定入射平面波波前的情况下，超材料可以通过附加一个不连续的相位突变(dΦ/dy)，打破传统的折射定律以来实现任意角度的折射。这为我们设计基于惠更斯的声学超材料来调控波束方向奠定了基础。斯涅尔折射定律公式(1)如下：

其中，θ_t、θ_i分别是折射角、入射角，λ_t、λ_i分别对应折射波和入射波的波长。具体操作上为了实现相应的任意折射，需要构造特殊的超材料单元结构以提供额外的相位突变分布。然而传统的超材料结构单元一旦确定，相应的相位突变分布也就固定下来，即一次设计仅能被用来实现指定角度的折射，一旦需要改变折射角度，就需要重新设计超材料结构单元。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于惠更斯声学超材料的宽带声束调控单元结构。本发明基于应力、应变与本构方程，弹性波基本理论，结合压电材料驱动元件激发超声波场的相关理论，遵循功能－结构－材料一体化设计的原则，实现了宽带声束调控的超材料结构，通过对复合材料结构中波传播的操控，包括实现波束的聚焦、扫描。

为了实现利用超材料对波束方向进行调控，特别引入了随频率变化的相位补偿因子Φ₀(f)，通过改变工作频率，就可以调节相应的相位因子，进而实现对超材料引进的相位突变进行调控，实现不同方向的折射角度。

基于惠更斯声学超材料的宽带声束调控单元结构，包括基底材料以及顺次排列在基底材料上的三种不同类型的原胞结构，同一类型的原胞结构各具有相邻的两排且每排包括至少5个以上，三种原胞结构均由中心柱以及围绕中心柱圆周设置的开口环构成，开口环圆周上具有一段贯穿整个原胞结构侧面的缺口；其中第一原胞嵌入到基底材料以内且开口环高度高于中心柱的高度，第二原胞的开口环高度与中心柱平齐，第三原胞的高度高于中心柱的高度。

其中，每个原胞之间都是等距的，其尺寸为结构中激发兰姆波波长的二分之一。

其中，中心柱与开口环的尺寸是设计参数，直接影响材料的等效质量密度分布，进而影响结构中对应兰姆波传播的聚焦位置。

其中，中心柱和开口环的高度从有限元数值计算方法优化后建立的数据库中按照指定的相位分布来提取，数值范围一般为结构中兰姆波波长的八分之一到四分之一。

其中，基底材料为7050铝合金板。

其中，除第一种原胞结构外，其余两种原胞结构通过粘合剂表面粘贴在基底材料上。

其中，每排包括5-10个的原胞结构。

本发明的优势在于通过引进相位补偿因子，超材料的突变相位是受控可调的，本发明提出的基于惠更斯声学超材料结构可以实现传统超材料亚波长聚焦的同时还具有对焦点位置的扫描调控能力，大大超越了传统在结构健康监测领域采用的超声相控阵需要大量的传感器布置的技术方案，无论是科学和工程方面均有非常重要的实用价值。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的声学超材料结构单元，周期性地在基底材料上排列。其中，100为介质基板，200、300、400分为三种不同的开口环和中心柱及其对应互补结构的组合类型。

图2a示出了本发明的声学超材料结构中第一类原胞结构的示意图。

图2b示出了本发明的声学超材料结构中第一类原胞结构的示意图。

其中，210是中心柱互补结构，220是开口环互补结构。

图3a示出了本发明的声学超材料结构中第二类原胞结构的示意图。

图3b示出了本发明的声学超材料结构中第二类原胞结构的示意图。

其中，310是中心柱结构，320是开口环结构。

图4a示出了本发明的声学超材料结构中第三类原胞结构的示意图。

图4b示出了本发明的声学超材料结构中第三类原胞结构的示意图。

其中，410是中心柱结构，420是开口环结构。

图5是本发明的基于惠更斯声学超材料的宽带声束调控单元结构对应的双曲相位分布图。

图6是以中心频率发射波束通过本发明的基于惠更斯声学超材料的宽带声束调控单元结构时聚焦于中心位置的示意图。

图7是以高于中心频率发射波束通过本发明的基于惠更斯声学超材料的宽带声束调控单元结构时聚焦于中心偏上位置的示意图。

图8是以低于中心频率发射波束通过本发明的基于惠更斯声学超材料的宽带声束调控单元结构时聚焦于中心偏下位置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的火星探测器型号产品综合环境试验系统进行详细说明，具体实施方式仅为示例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。

下面结合附图与具体实施方式对本发明进一步详细描述。

参见图1，图1显示了本发明的声学超材料结构单元，周期性地在基底材料上排列。其中包括介质基板100、开口环(210、310、410)和中心柱(220、320、420)。第一类原胞的开口环的互补结构嵌入到基板中，第二、三类原胞的开口环、中心柱的组合结构通过粘合剂表贴到基板上，其中单个开口环、中心柱和介质基板组成的最小单元又被称为原胞结构。200、300、400分为三种不同的中心柱和开口环或者开口环对应的互补结构的组合类型。其中，超材料的相位变化特性是由构成阵列的单元结构提供的。该结构通过粘合剂表面粘贴在基底材料上或直接嵌入基板中。所用材料均为杨氏模量为70e9Pa，密度为2700kg/m^3的铝合金板。中心柱和开口环组合可以通过CNC数控车床直接铣削加工成型，不需要单独组装。

例如，第一组是由第一类原胞结构组成。图2a是图2b在超材料整体结构图1中的局部放大。如图2a所示，其中210、220分别是中心柱和开口环的互补结构，开口方向均为x方向，开口深度为通孔类型且完全贯穿中心柱基板的侧面高度，通常，开口环围绕着中心柱的圆周设置，中心柱的高度为设计参数，并根据有限元数值仿真软件计算得出。

例如，第二组是由第二类原胞结构组成。图3a是图3b在超材料整体结构图1中的局部放大。如图3a所示，其中310、320分别是中心柱和开口环组成，开口方向均为x方向，开口深度为通孔类型且完全贯穿中心柱的侧面高度，通常，开口环围绕着中心柱的圆周设置，开口环的开口大小和中心柱的高度为设计参数，开口环的高度高于与中心柱的高度，根据有限元数值仿真软件计算得出。

第三组是由第三类原胞结构组成。图4a是图4b在超材料整体结构图1中的局部放大。如图4a所示，其中410、420分别是中心柱和开口环组成，开口方向均为x方向，开口深度为通孔类型且完全贯穿中心柱的侧面高度，通常，开口环围绕着中心柱的圆周设置，开口环的开口大小和中心柱的高度为设计参数，开口环的高度低于中心柱的高度，并根据有限元数值仿真软件计算得出。

由于本发明需要将折射后的波束重新在焦平面上聚焦，以实现亚波长成像。所以超材料的相位分布必须具有双曲特性，如图5所示。根据散焦理论，对于任意的超材料的连续相位分布都可以通过综合许多离散的单元周期性结构近似逼近。为了保证离散相位分布的光滑性，我们选择了三组单元每组由6个原胞结构排两排构成，每排的原胞个数一般在5到10个之间，但不限于该数目。

上述三类原胞结构分成三组，按照每组两列，每列六个排列如图一所示。开口环开口大小和中心柱的高度是影响局域谐振的关键因素，因此可以根据计算得到的相位分布利用数值方法优化出相应的参数，即可实现对结构中声波信号的亚波长聚焦。由于所述超材料结构设计引入了相位补偿因子Φ₀(f)，当调控激励信号的频率时，可以相应调节相位补偿因子改变，使得在超材料原有突变相位的基础上，增加额外的补偿相位，将焦点在焦平面上随频率移动。

由于基底材料上有不同类型的原胞结构分布，相当于改变了原有单一的等效质量密度分布，当兰姆波在结构中连续通过超材料时，由于声阻抗的变化，波的传播行为类似于从一种材料传递到另一种材料，最终波的传播轨迹被连续弯曲到中心轴附近，并在焦点处实现聚焦。

对焦点的扫描移动是通过改变相应的激发频率实现的。具体如图6所示，当以中心频率激发超材料时，声波信号在超材料中传播过程会被调制为聚焦到焦平面的中心位置。而当高于中心频率激发超材料时，声波信号在超材料中传播特性就会相应的改变，焦点将会在焦平面上向上移动，其对应位置如图7所示。当低于中心频率激发超材料时，声波信号在超材料中传播特性也会改变，焦点将会在焦平面上向下移动，其对应位置如图8所示。

总之，本发明的基于惠更斯声学超材料的宽带声束调控系统，通过引入补偿相位因子，通过调控激励信号的工作频率，可以将焦点在中心位置附近移动，利用声学超材料亚波长成像的独特优势的同时摒弃了传统相控阵需要排布大量传感器的复杂方案，对于结构健康监测领域具有非常重要的工程实用价值。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims

1.基于惠更斯声学超材料的宽带声束调控单元结构，包括基底材料以及顺次排列在基底材料上的三种不同类型的原胞结构，同一类型的原胞结构各具有相邻的两排且每排包括至少5个原胞结构，三种原胞结构均由中心柱以及围绕中心柱圆周设置的开口环构成，开口环圆周上具有一段贯穿整个原胞结构侧面的缺口；其中第一原胞嵌入到基底材料以内且开口环高度高于中心柱的高度，第二原胞的开口环高度与中心柱平齐，第三原胞的高度高于中心柱的高度。

2.如权利要求1所述的宽带声束调控单元结构，其中，中心柱与开口环的尺寸是设计参数，直接影响材料的等效质量密度分布，进而影响结构中对应兰姆波传播的聚焦位置。

3.如权利要求1-2任一项所述的宽带声束调控单元结构，其中，中心柱和开口环的高度从有限元数值计算方法优化后建立的数据库中按照指定的相位分布来提取，数值范围为结构中兰姆波波长的八分之一到四分之一。

4.如权利要求1-2任一项所述的宽带声束调控单元结构，其中，基底材料为7050铝合金板。

5.如权利要求1-2任一项所述的宽带声束调控单元结构，其中，除第一种原胞结构外，其余两种原胞结构通过粘合剂表面粘贴在基底材料上。

6.如权利要求1-2任一项所述的宽带声束调控单元结构，其中，每排包括5-10个的原胞结构。