CN109979426B - 一种声电独立调制编码超材料及其制备方法和调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种声电独立调制编码超材料及其制备方法和调制方法，超材料包括介质结构和金属地板，其中，介质结构位于金属地板上表面，介质结构由可对声场及电磁场具有独立响应特性的编码单元周期性排列而成。本发明通过调整编码单元的厚度及其所对应介电常数，可以同时实现对5700Hz‑8000Hz的声场及5.80GHz‑6.15GHz的电磁场的宽带独立控制，且所设计超材料的结构简单、工艺成熟、性能稳定性好，在军事及民用领域具有很高的应用前景。

Description

一种声电独立调制编码超材料及其制备方法和调制方法
技术领域
本发明涉及电磁场与声学的多物理场协同调控，尤其涉及一种声电独立调制的编码超材料及其制备方法和调制方法。
背景技术
能够随心所欲的独立操控声场及电磁场是人们长期以来的一个梦想，由于受到自然界材料的限制，人们难以找到一种同时满足两种不同频谱特性的材料，以至于长期无法解决双场独立调制的问题。近些年来随着超材料的出现，人们利用已知材料，通过对其进行结构设计，获得了天然材料所不具备的电磁及声学特性，并可以实现对声波及电磁波的精确调制，为声电独立调制的研究打开了一扇新的大门。
基于超材料的理论，人们已经进行了一些关于多物理场调制的工作。浙江大学陈红胜等人采用变换光学理论，成功设计制备了具有声波、电磁波以及水波隐身作用的多物理场隐身大衣，然而由于设计条件苛刻，复杂，且对入射场要求严格，因此只为人们提供了思路，却并不具有使用性。当然，采用同样的手段，新加坡国立大学的邱成伟等人，也完成了一种具有多物理场感知及伪装功能的透明传感器。然而，目前为止，文献中仍未曾出现关于声电物理场独立调制的报道。由于声学超材料主要关心材料的密度及弹性模量，而电磁超材料则关心的是材料的介电常数及磁导率，如何在兼顾四者的同时，独立调控其中任一参量，亟待解决，当然这也是导致无法做到声电独立调制主要原因。近期，编码超材料的兴起，给我们提供了一种更为简洁的设计思路。采用编码超材料进行物理场控制，可将超材料设计从传统的四参数设计中解脱出来，只需考虑回波的相位特性，使设计更加简单。因此，基于编码超材料的理论，我们发明了一种声电独立调制的编码超材料。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，扩大现有编码超材料的使用范围，实现对声场及电磁场的同时且独立的操控，本发明提供一种声电独立调制编码超材料及其制备方法和调制方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种声电独立调制编码超材料，包括介质结构和金属地板，其中，介质结构位于金属地板上表面，介质结构由对声场及电磁场具有独立响应特性的编码单元周期性排列而成。
可选的，编码单元的周期是指水平面上沿x、y方向上的最小重复尺寸。
可选的，通过调整编码单元的厚度来获得所需的声场反射相位0°及180°。
可选的，通过调整编码单元的介电常数来获得所需的电磁场反射相位0°及180°。
可选的，反射相位0°为数字编码状态‘0’，反射相位180°为数字编码状态‘1’，两种等副反相的数字编码单元构成1比特编码超材料。
可选的，编码单元的结构为四边形、三角形、圆形或椭圆形中的一种或者几种。
可选的，编码单元的材质为氧化铝、氧化锆、FR-4、F4b、PC、PET、PMMA、铝、铜、铁、陶瓷基复合材料中的一种或几种。
可选的，金属地板所用导体材料导电率高于1×106S/m。
本发明还提供了一种声电独立调制编码超材料的制备方法，首先在中心频率6860Hz频点处，设计出具有180°相位差的1比特声学超材料，单元的厚度差为12.5mm；然后基于已有1比特声学超材料，通过调整不同单元的介电常数，获得满足在5.80GHz-6.15GHz内反相且反射幅值均一的编码单元；最后将编码单元按预设的周期进行排列设置于金属地板上形成声电独立调制编码超材料。
本发明还提供了一种编码超材料的声电独立调制方法，该方法通过调整编码单元的厚度来获得所需的声场反射相位0°及180°，通过调整编码单元的介电常数来获得所需的电磁场反射相位0°及180°；反射相位0°为数字编码状态‘0’，反射相位180°为数字编码状态‘1’，实现对5700Hz-8000Hz的声场及5.80GHz-6.15GHz的电磁场进行宽带独立控制。
有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的声电独立调制编码超材料，结构简单，加工工艺成熟，加工成本低廉；只需要对上层介质结构进行数控机床加工，节省造价。不同于传统单一物理场调制超材料或者超表面，本发明可以同时实现对5700Hz-8000Hz的声场及5.80GHz-6.15GHz的电磁场进行宽带独立控制，具有更加丰富的功能。目前和本发明类似的多物理场独立操控技术还没有公开报道。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2a是声电独立调控编码超材料单元的声场响应特性仿真结果；
图2b是声电独立调控编码超材料单元的电磁场响应特性仿真结果；
图3是声电独立调控编码超材料的单元结构演化示意图；
图4是声电独立调控编码超材料的阵面分布示意图及远场方向图仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，声电独立调制编码超材料为两层结构，包括介质结构1和金属地板2，介质结构位于金属地板的上表面，介质结构由周期性编码单元经排列组合获得。其中图1(a)和1(b)分别为所设计声电独立调制编码超材料，与垂直入射的电磁波及声波间相互作用示意图，可以看出通过合理排布所设计编码超材料单元，可以获得互不干扰且完全不同的电磁场及声场远场方向图。
编码单元的结构可以为多边形中的一种或几种，比如：可以为三角形、四边形、圆形、椭圆形中的一种或者几种，即可以为对称结构亦可为非对称结构。同时编码单元的材料可以采用氧化铝、氧化锆、FR-4、F4b、PC、PET、PMMA、铝、铜、铁、陶瓷基复合材料中的一种或几种。编码单元可采用机械加工精确获得。编码单元所采用材料特性见表1。
表1
名称 密度(kg/m<sup>3</sup>) 声速(m/s) 介电常数
空气 1.29 343.0 1.0
介质1 2385.8 322.3 10.2(1+i0.001)
介质2 2137.0 384.9 6.2(1+i0.001)
介质3 3021.7 269.9 25.0(1+i0.0015)
介质4 8930.0 5010.0 -
对于声场，由于材料声阻抗取决于材料密度与声速的乘积，从表1中我们可以看出，所选择的四种材料的声阻抗值，都远远大于空气，也就是说当声波由自由空间入射到上述四种材料上时，其会在材料与空气的界面处发生强烈的反射，如图2(a)所示，编码单元在5700Hz-8000Hz频带内具有几乎无衰减的反射幅值，这就与我们前面的分析保持一致。
传统声学超材料主要着眼于材料的密度及弹性模量，而电磁超材料则更关注材料自身的电磁特性。自然界中很难找到力学特性与电磁特性可独立操控的特殊材料。这里我们采用编码超材料的原理，将反射相位为0°的编码单元定义为数字编码‘0’，而将反射相位为180°的编码单元定义为数字编码‘1’。与此同时，两种等副反相的数字编码单元构成1比特编码超材料。
与此同时，为了创建1比特声学编码超材料，基于上述的分析，我们只需获得具有等副反相特性的基本单元。因此，基于四分之一波长线理论，我们在中心频率6860Hz频点处，设计出具有180°相位差的编码单元，单元的厚度差为12.5mm，恰好等于6860Hz频点处空气声波长的四分之一，对应仿真结果如图2(a)所示。
完成声学1比特编码单元(即所设计的对垂直入射声波具有180°反射相位差的编码单元)设计之后，我们紧接这进行了电磁1比特编码单元设计。基于已获得的声学1比特编码单元，我们通过调整不同单元的介电常数，最终获得了如图3所示的四种编码单元，其反射特性仿真结果如图2(b)所示，所设计编码单元可以满足在5.80GHz-6.15GHz内反相且反射幅值均一，符合1比特编码超材料的定义。重要的是，所设计的四中编码单元的副相特性，在声场及电磁场内相互独立，这就使独立操控声电成为可能。
如图3所示，本实例中的编码单元为立方体块，令不同立方体块的厚度分别为H0和H1，令其边长周期为P；其中，厚度为H0的声场反射相位为0°，其数字编码状态为‘0’；厚度为H1的声场反射相位为180°，其数字编码状态为‘1’。然后调整厚度为H0的立方体块的介电常数分别获得所需的电磁场反射相位0°及180°的立方体块；调整厚度为H1的立方体块的介电常数分别获得所需的电磁场反射相位0°及180°的立方体块。即得到四种编码单元的数字编码状态分别为：“0/0”、“1/0”、“0/1”和“1/1”，其中反斜杠前为电磁编码状态，而反斜杠后为声学编码状态。最后将得到的四种编码单元按一定的周期排列并设置于金属地板上表面形成声电独立调制编码超材料。
本实施例中立方体块的取值如下：H0＝15.0mm，H0＝2.5mm，P＝5.0mm。与此同时，对应编码单元的力学及电磁学特性见表1。
如图2所示，为所选四个立方体单元的相位及幅度随频率变化的分布情况。在5700Hz-8000Hz及5.80GHz-6.15GHz频段内，满足两者的最大相位差及最小相位差保持在150°-210°范围内，且反射幅度基本保持一致。
为了验证本发明技术方案，提出了三个不同的方案来进行声电物理场的独立调制。采用上述的1比特多物理场编码超材料，通过采用不同的编码序列，如图4所示获得了不同的远场方向图。
情况1：如图4(a)所示，当编码单元按照‘101010…’编码序列沿y轴进行排列，而声学编码单元同样采用‘101010…’编码序列沿x轴进行排列时，获得了交叉分布的电磁场波束分裂远场方向图(图4(d)所示)及声场波束分裂远场方向图(图4(g)所示)。
情况2：如图4(b)所示，当按照编码方案
Figure BDA0002024651140000051
对所设计声电多物理场1比特编码单元(即前面得到的四种编码单元)进行阵面排布时(反斜杠前为电磁编码状态，反斜杠后为声场编码状态)，可以清晰的观察到二波束的电磁远场方向图(图4(e)所示)及四波束的声远场方向图(图4(h)所示)。
情况3：如图4(c)所示，当采用
Figure BDA0002024651140000052
编码方案时，四波束的电磁场远场方向图(图4(f)所示)及二波束的声场远场方向图(图4(i)所示)同时被成功呈现。以上三种情况成功证明，所发明的声电独立调制1比特编码超材料，可以完成对声电的独立调控，突破了现有技术的不足。
以上描述和解释了本发明的主要特征、基本原理和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，例如技术人员可以对上述各种参数进行修改以使其工作在其他波段，或者修改相关参数以使其结构、性能与本实施例有所不同，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由权利要求及其等同界定。

Claims (5)

1.一种声电独立调制编码超材料，其特征在于，包括介质结构和金属地板，其中，介质结构位于金属地板上表面，介质结构由对声场及电磁场具有独立响应特性的编码单元周期性排列而成；
通过调整编码单元的厚度来获得所需的声场反射相位0°及180°；通过调整编码单元的介电常数来获得所需的电磁场反射相位0°及180°；
反射相位0°为数字编码状态‘0’，反射相位180°为数字编码状态‘1’，两种等副反相的数字编码单元构成1比特编码超材料，实现对5700 Hz-8000 Hz的声场及5.80 GHz-6.15GHz的电磁场进行宽带独立控制；
首先在中心频率6860 Hz频点处，设计出具有180°相位差的1比特声学超材料，单元的厚度差为12.5 mm；然后基于已有1比特声学超材料，通过调整不同单元的介电常数，获得满足在5.80 GHz-6.15 GHz内反相且反射幅值均一的编码单元；最后将编码单元按预设的周期进行排列设置于金属地板上形成声电独立调制编码超材料。
2.根据权利要求1所述的一种声电独立调制编码超材料，其特征在于，编码单元的周期是指水平面上沿x、y方向上的最小重复尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种声电独立调制编码超材料，其特征在于，编码单元的结构为四边形、三角形、圆形或椭圆形中的一种或者几种。
4.根据权利要求1所述的一种声电独立调制编码超材料，其特征在于，编码单元的材质为氧化铝、氧化锆、FR-4、F4b、PC、PET、PMMA、铝、铜、铁、陶瓷基复合材料中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种声电独立调制编码超材料，其特征在于，金属地板所用导体材料导电率高于1×106 S/m。
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