CN111667809B - 一种可调控水下声波反射角的声学超表面 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种可调控水下声波反射角的声学超表面，它包括：均匀介质(1)、均匀介质(2)、均匀介质(3)、均匀介质(4)、隔板(5)以及底板(6)，均匀介质(1)、均匀介质(2)、均匀介质(3)、均匀介质(4)呈周期性排列，每两种介质之间用隔板(5)隔开，均匀介质(1)、均匀介质(2)、均匀介质(3)、均匀介质(4)以及隔板(5)的底部附有底板(6)。本发明所提供的声学超表面能够对水下反射声波的反射角进行调控。

Description

一种可调控水下声波反射角的声学超表面
技术领域
本发明涉及一种可调控水下声波反射角的声学超表面，属于声学超表面技术领域。
背景技术
近20多年来，声学超材料的出现极大地拓展了声学学科的研究领域。通过引入声学共振结构可实现动态负质量密度、负体积模量、零折射率等天然材料不具备的奇特声学参数，为调控声波带来全新的自由度和极大的可能性。合理地设计并实现拥有此类特异声学参数的结构，可突破经典声学的理论限制，构造新功能声学材料并引领声学器件的革新。近五年，一种新型的超薄声人工结构——声学超表面受到了广泛的研究，声学超表面是由亚波长尺寸的结构单元在一个平面上排列而成的准二维结构。超表面中每个单元对入射波的声学响应(包括幅值、相位)可以独立控制，通过调节超表面单元的声学响应，可形成幅值、相位的重新分布，进而实现对声波的几乎任意的操控，可以实现声波完美吸收、负折射、反常反射、反常透射、波前相位任意调控等特殊物理现象。
目前最常见的声学超表面结构包括：(1)折叠空间结构(《Nature》(2013年3期))。该结构内部有曲折通道，增加了声波在结构中的传播路径。(2)亥姆霍兹共振腔结构(《Applied Physics》(2015年48期))。该结构由具有不同开孔孔径的亥姆霍兹共振腔组成。这两种结构均可实现对反射波的任意调控功能，但缺点是结构比较复杂，制作难度较大。另外，现有的声学超表面大多以空气为背景介质，对以水为背景介质的声学超表面的研究比较匮乏。因此，采用新的结构设计方案，使得超表面的结构更加简单，实现对水下声波的调控，是非常必要的。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种结构简单的可调控水下声波反射角的声学超表面。
本发明的目的是这样实现的：包括至少2个周期结构，每个周期结构包括底板、设置在底板上的均匀介质一至均匀介质四，相邻的均匀介质之间、均匀介质一的端部均设置有隔板，相邻的周期结构的底板相连，前一周期结构的均匀介质四与下一周期结构的均匀介质一共用一个隔板，最后的周期结构的均匀介质四的端部设置有隔板。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.均匀介质一至均匀介质四的尺寸相同，且满足：
Figure BDA0002515700390000011
其中：
Figure BDA0002515700390000021
为均匀介质产生的相位突变，j为均匀介质序号，j＝1,2,3,4，i为虚数单位，h为介质高度，kj为第j个介质中的波数，Z0为水的阻抗，Zj为第j个介质的阻抗。
2.每个周期结构之间由粘合剂互相粘合。
3.所述均匀介质一至均匀介质四、隔板以及底板的横截面形状均为矩形。
4.隔板以及底板的材料为钢。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所提出的声学超表面通过将不同阻抗的均匀材料进行周期性排列，可以调控水下声波的反射角，而且结构简单，变化的参量少，变化规律明显。本发明适用范围广，可根据实际需要改变周期数。
附图说明
图1为本发明声学超表面的几何示意图；
图2为实施例1时的入射波声压场；
图3为实施例1时的反射波声压场；
图4为实施例1时的反射声波的反射方向仿真结果；
图5为实施例2时的入射波声压场；
图6为实施例2时的反射波声压场；
图7为实施例2时的反射声波的反射方向仿真结果；
图8是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参阅图1-8所示，本发明的可调控水下声波反射角的声学超表面，它包括均匀介质1、均匀介质2、均匀介质3、均匀介质4、隔板5以及底板6，均匀介质1、均匀介质2、均匀介质3、均匀介质4呈周期性排列，每两种介质之间用隔板5隔开，均匀介质1、均匀介质2、均匀介质3、均匀介质4以及隔板5的底部附有底板6。
所述均匀介质1产生的相位突变为
Figure BDA0002515700390000022
均匀介质2产生的相位突变为
Figure BDA0002515700390000023
均匀介质3产生的相位突变为
Figure BDA0002515700390000024
均匀介质4产生的相位突变为
Figure BDA0002515700390000025
其中
Figure BDA0002515700390000026
其中，i为虚数单位，j为均匀介质序号，h为介质高度，kj为第j个介质中的波数，Z0为水的阻抗，Zj为第j个介质的阻抗。
所述均匀介质1、均匀介质2、均匀介质3、均匀介质4的尺寸相同，介质宽度均为w，w范围为0.074m至0.21m，介质高度h为0.2m，均匀介质1的阻抗为Z1＝1.5×106Pa·s/m，均匀介质2的阻抗为Z2＝2.42×106Pa·s/m，均匀介质3的阻抗为Z3＝7.5×106Pa·s/m，均匀介质4的阻抗为Z4＝9.39×106Pa·s/m。
所述隔板5的厚度为p，p的范围为0.001m至0.025m，高度h为0.2m，隔板材料选用钢，钢的阻抗为46.8×106Pa·s/m。所述底板6的厚度t为0.025m，底板材料选用钢，钢的阻抗为46.8×106Pa·s/m。所述均匀介质1、均匀介质2、均匀介质3、均匀介质4以及隔板5由粘接剂粘合构成一个周期，周期宽度d为4(w+p)，每个周期之间再由粘合剂互相粘合构成声学超表面，所述声学超表面至少包括2个周期。
所述均匀介质1、均匀介质2、均匀介质3、均匀介质4、隔板5以及底板6的横截面形状均为矩形。
通过广义斯奈尔定律可以对超表面产生的反射波角度进行理论计算，在垂直入射情况下反射角的理论计算公式为θr＝arcsin(λ/d)，λ为声波的波长。
本装置通过改变介质阻抗来设计超表面，结构简单。调节周期宽度d与波长λ的关系来调节反射波的角度，变化参量少。
实施例1：
当声波频率f＝5000Hz，背景介质为水，声波垂直于超表面入射，超表面结构参数为w＝0.14m，p＝0.01m，d＝0.6m时，利用COMSOL Multiphysics软件进行仿真计算。图2为入射声波声压场结果，图3为反射声波声压场结果，图4为反射声波的反射方向仿真结果。从图3可以看出该声学超表面将垂直入射的声波以一定的角度反射出去，根据广义斯奈尔定律公式得出在d＝0.6m时理论的反射角度为30°，通过图4得出的反射角度为29.8°，仿真值与理论值吻合良好，因此，所述超表面可以通过简单的结构实现对水下反射声波角度的调控。
实施例2：
当声波频率f＝5000Hz，背景介质为水，声波垂直于超表面入射，超表面结构参数为w＝0.11m，p＝0.015m，d＝0.5m时，利用COMSOL Multiphysics软件进行仿真计算。图5为入射声波声压场结果，图6为反射声波声压场结果。图7为反射声波的反射方向仿真结果。从图6可以看出该声学超表面将垂直入射的声波以一定的角度反射出去，根据广义斯奈尔定律公式得出在d＝0.5m时理论的反射角度为36.8°，通过图7得出的反射角度为36.7°，仿真值与理论值吻合良好，因此，所述超表面可以通过简单的结构实现对水下反射声波角度的调控。
综上，本发明提供的是一种可调控水下声波反射角的声学超表面，它包括：均匀介质1、均匀介质2、均匀介质3、均匀介质4、隔板5以及底板6，均匀介质1、均匀介质2、均匀介质3、均匀介质4呈周期性排列，每两种介质之间用隔板5隔开，均匀介质1、均匀介质2、均匀介质3、均匀介质4以及隔板5的底部附有底板6。本发明所提供的声学超表面能够对水下反射声波的反射角进行调控。

Claims (5)

1.一种可调控水下声波反射角的声学超表面，其特征在于：包括至少2个周期结构，每个周期结构包括底板、设置在底板上的均匀介质一至均匀介质四，相邻的均匀介质之间、均匀介质一的端部均设置有隔板，相邻的周期结构的底板相连，前一周期结构的均匀介质四与下一周期结构的均匀介质一共用一个隔板，最后的周期结构的均匀介质四的端部设置有隔板；均匀介质一至均匀介质四的尺寸相同，且满足：
Figure FDA0003876910330000011
且
Figure FDA0003876910330000012
其中：
Figure FDA0003876910330000013
为均匀介质产生的相位突变，j为均匀介质序号，j＝1,2,3,4，i为虚数单位，h为介质高度，kj为第j个介质中的波数，Z0为水的阻抗，Zj为第j个介质的阻抗。
2.根据权利要求1所述的一种可调控水下声波反射角的声学超表面，其特征在于：每个周期结构之间由粘合剂互相粘合。
3.根据权利要求1或2所述的一种可调控水下声波反射角的声学超表面，其特征在于：所述均匀介质一至均匀介质四、隔板以及底板的横截面形状均为矩形。
4.根据权利要求1或2所述的一种可调控水下声波反射角的声学超表面，其特征在于：隔板以及底板的材料为钢。
5.根据权利要求3所述的一种可调控水下声波反射角的声学超表面，其特征在于：隔板以及底板的材料为钢。
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