CN111933106A - 一种基于声超表面的声波反射调控装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声超表面的声波反射调控装置，所述装置由一个通道、若干个依次等距离排列的腔体和反射板组合而成；反射板设置于腔体的一端。本发明所述装置具有很高的反射率，结构简单，可以用3D打印将结构打印出来，实现多种角度的反射。克服了独立设计结构带来的固有损耗，也避免了过去结构的复杂设计，损耗高，体积庞大，成本高昂的缺点，本发明的结构简化与声波反射单元之间的耦合给声学功能器件的制备减少了工序，提高了制备精度，性能将得到进一步的提升。

Description

一种基于声超表面的声波反射调控装置

技术领域

本发明涉及声学超表面材料领域，更具体地，涉及一种基于声超表面的声波反射调控装置。

背景技术

声学超表面是一种由人工微单元构成的亚波长超薄二维表面结构，主要由于其具备平面、超薄等独特物理特性及对声波的灵活调控能力，发展也一直备受关注。声学超表面基于亚波长厚度，由于它的小尺寸，结构设计灵活且简单，以这种基础往往更容易产业化与集成化，主要的核心是通过特定声波反射单元的设计来精确的调控声波波前达到相位的排布，从而实现对声波的任意操控与产生许多奇特的现象。超表面的设计则是通过控制内部单元的结构大小、介质材料或方向位置来实现离散的相位梯度变化且满足0-2π相位范围覆盖，通过排布单元从而实现任意相位的调制，产生不同于传统的波操控能力。这种的设计思想，打破了某些表现自然规律的限制，在亚波长的单元结构下，调节相位突变实现对声波更加灵活高效的调控。

超表面是一种厚度远小于工作波长的人工超薄层状材料，可以对声波的幅度、相位等多种属性进行灵活有效的调控，从而实现多样化的超常性质。声波入射到经过人工特定排布的表面后会在反射或者折射的界面上遵循广义斯涅尔定律，而过去调控反射主要是根据通过逐个单元的设计，并且结构形状复杂，迫使声波产生一定的相位延迟，并通过采样出离散单元的相位差，从而达到所需的单元结构来调控声波的反射或折射。

经典的声学超表面的设计是建立在广义斯涅尔定律的理论思想上，而为了相位突变往往需要众多形态多样化的声波反射单元去提供额外的相位补偿，且复杂的设计和存在的固有损耗会使其在实际应用中受到一定的限制。

在声超表面单元设计中，声波反射单元大部分为单独设计，其相互之间的耦合效应往往被忽略，通过研究表明这些问题会导致在处理大角度声场调控时，会出现旁瓣等现象，造成反射率大大降低的问题。

如专利CN107293283A提供了一种声学超表面和声波聚焦装置，声学超表面包括：多个第一声波反射单元和多个第二声波反射单元，多个第一声波反射单元与多个第二声波反射单元相互连接且位于同一平面上，第一声波反射单元与第二声波反射单元的出射声波的相位延迟差为180度，第一声波反射单元与第二声波反射单元对入射声波具有相同的透射率；第一声波反射单元和第二声波反射单元分别包括：一体式连接的上平板和下平板，上平板的下表面上均匀设置有多个矩形凸起；上平板上的两个相邻的矩形凸起的中间设置有第一缝隙，下平板上设置有第二缝隙。虽然该专利可以通过调整声学超表面单元的排布方式或排布顺序，实现对不同的声波调节的功能。但仍然会出现旁瓣等现象，造成反射率降低的问题。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的声超表面在处理大角度声场调控时，会出现旁瓣等现象，造成反射率降低的问题，提供一种基于声超表面的声波反射调控装置。

所述装置由至少两个依次等距离排列的声波反射单元组成；所有声波反射单元的通道开口方向相同，且通道宽度不同，每相邻两个声波反射单元之间的距离为0.03λ，λ为声波波长。

以往的声超表面的声波反射调控装置的设计中，声波反射单元大部分为单独设计，其相互之间的耦合效应往往被忽略，通过研究表明这些问题会导致在处理大角度声场调控时，会出现旁瓣等现象，造成反射率大大降低的问题。

本发明将声波反射单元排列好以后当做一个整体，一方面考虑到了整体的性能，另一方面由于各声波反射单元的通道宽度不同，使得机构单元的相位覆盖了较宽的范围，可实现多种角度的反射，从而具提高了反射率。

优选地，依次等距离排列的声波反射单元的通道的宽度的变化规律为逐渐变大或变小。

优选地，每相邻的两个声波反射单元的离散相位步长为π/4。

所述装置由多个声波反射单元构成，声波反射单元之间是独立的，间隔距离相等，每个单元之间没有连接。声波反射单元之间的规律是每相邻的两个声波反射单元的离散相位步长为π/4。相位步长即两个相邻的单元的反射相位之差。

优选地，所述声波反射单元由一个通道、反射板、若干个依次相邻排列的腔体组合而成；

所述反射板和腔体的腔壁都由刚性板构成，每个腔体的长度相同；

反射板设置于通道的末端，且与端部的腔体连接；

所述通道的宽度和腔体的宽度之和等于反射板的长度。

优选地，所有腔体的开口朝向通道。

优选地，所述腔体为4个。

优选地，所述声波反射单元的总体参数为：

w＝0.12λ，h＝0.345λ

其中，w是所述声波反射单元的宽度，h为所述声波反射单元的长度；λ为波长。

优选地，所述声波反射单元的内部结构参数为：

h₁＝0.01λ，h₂＝0.005λ

其中，h₁为腔体的开口宽度，h₂为腔体壁的厚度；

优选地，每个声波反射单元的相位随着w₂的增大而减小，其中w₂为通道的宽度。

优选地，w₁+w₂＝w

其中，w₁为腔体的宽度。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明所述装置由通道宽度不同的声波反射单元依次等距离排列组成，由于各声波反射单元的通道宽度不同，使得机构单元的相位覆盖了较宽的范围，可实现多种角度的反射，从而具提高了反射率。

由于本发明所述装置反射率高，声波基本上都反射出来，没有在设计单元内损耗从而克服了独立设计结构带来的固有损耗。

此外，本发明结构简单、体积小，可以用3D打印将声波反射单元打印出来。

本发明通过结构简化与声波反射单元之间的耦合(即通过等距离的排列声波反射单元，使排列后成为一个整体进行工作)给声学功能器件的制备减少了工序，提高了制备精度，性能将得到进一步的提升。

附图说明

图1为基于声超表面的声波反射调控装置示意图。

图2为声波反射单元示意图。

图3为随着功能参数w₁变化的相位和透射系数图。

图4(a)为相位差为π/4的8个反射型结构声压带；图4(b)为3430Hz下垂直入射得到近似10.3°反射模拟效果图。

图5(a)为平面透镜图；图5(b)为在y方向上的离散相位分布图。

图6(a)为声聚焦的声压图；图6(b)为沿着y方向在x＝f处的声强分布图。

图中：1-声波反射单元、1.1-通道、1.2-腔体、1.3-反射板。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种基于声超表面的声波反射调控装置。如图1所示，所述装置由8个依次等距离排列的声波反射单元1组成；所有声波反射单元1的通道1.1开口方向相同，且通道1.1宽度不同。

每相邻两个声波反射单元之间的距离为0.03λ，λ为声波波长。

依次等距离排列的声波反射单元1的通道1.1的宽度的变化规律为逐渐变小。

每相邻的两个声波反射单元1的离散相位步长为π/4。

如图2所示，所述声波反射单元1由一个通道1.1、4个等距离且依次相邻排列的腔体1.2和反射板1.3组合而成；所述反射板1.3和腔体1.2的腔壁都由刚性板构成，每个腔体1.2的长度相同；反射板1.3设置于通道1.1的末端，且与端部的腔体1.2连接；所述通道1.1的宽度和腔体1.2的宽度之和等于反射板1.3的长度。

所有腔体1.2的开口朝向通道1.1。

所述声波反射单元1的总体参数为：

w＝0.12λ，h＝0.345λ。

其中，w是所述声波反射单元1的宽度，h为所述声波反射单元1的长度；λ为波长。

所述声波反射单元的内部结构参数为：

h₁＝0.01λ，h₂＝0.005λ。

其中，h₁为腔体1.2的开口宽度，h₂为腔体1.2的腔壁的厚度；

每个声波反射单元的相位随着w₂的增大而减小，

其中w₂为通道1.1的宽度。

w₁+w₂＝w

其中，w₁为腔体1.2的宽度。

为了验证所述装置的有效性，本实施例所述的装置为一个自由操控声波的通道亥姆霍兹共振型反射超表面，声波反射单元1并非是根据复杂结构单个结构去单独设计，而是通过重复的周期性结构和通道1.1的耦合，只需调节一个参数则可实现相位覆盖2π的操控，并从理论和模拟仿真去证实了该结构的有效性，且较好地实现了反射和声聚焦的现象。

声波反射单元由刚性板介质组成具有足够大的阻抗避免声波径向垂直穿过，所有的参数都是基于亚波长尺寸，其中总体参数为w＝0.12λ，h＝0.345λ，内部结构参数h₁＝0.01λ，h₂＝0.005λ。而声波反射单元1的相位则是随着宽度w₂变化，随之w₁也相应发生变化，得到对应的相位和反射系数如图3所示，在3430Hz时，随着w₁的变化，可以明显看出相位覆盖了2π范围，而反射系数的平均值也达到95％，具有较高的反射率。因此调节一个参数则可以对选择所需的结构属性，并将声波反射单元1进行一系列排布组合可实现多样化的声场分布，因此可以通过调整单胞中的通道1.1宽度和腔体1.2之间的参数达到所需的特性，作为设计反射型超表面的一种新方式。

通过模拟验证，由w₂的功能参数变化及其相位关系，我们设计出了8个声波反射单元1，根据通道w₂变化，具体的w₁长度与波长之间的比例关系如表1所示，每相邻的两个声波反射单元1的离散相位步长为π/4，全部声波反射单元1合并覆盖了2π相位的总体跨度，这些声波反射单元1组成的超表面引入了整个表面的相位不连续性，我们也同样可以结合广义斯涅尔定律进行声波任意的波前操纵。

表1单胞中几何参数w₁与波长的关系

如图4(a)所示，这是选定的这8个声波反射单元1模拟仿真的声压图，可以利用他们的相位分布去实现多样化的声场调控。这里我们设计了一个简单的角度反射来展示反射声波的效果，以及设计了一个声反射式的平板透镜，具有声聚焦的效果。从图中可以显示出，声波反射单元1具有较高的反射率，对应了图3(b)的高反射系数图。根据广义斯涅尔定律的计算，当入射角为0°时，即垂直入射超表面时，穿过超表面的反射波角度可以用以下公式表示：

其中，dφ(y)表示两个相邻单元之间的相位，dy表示两个离散单元之间的距离，k＝w/c₀为空气的波矢。由公式可以得知，当入射角为0°时，在y方向上通过设计相位的梯度项就可以实现任意的波前调制，如有效负折射和声平面聚焦等。根据这个公式，我们设计了一个垂直入射，反射角度为9.59°的现象。其中，背景介质的声速c₀＝343m/s，f＝3430Hz，通过8个单元进行排布，模拟仿真得到的结果如图4(b)所示，入射的平面波和反射波通过模拟的效果近似为10.3°，因此由该超表面设计的角度反射也较好地吻合理论数据。同样地，可以根据设计的8种声波反射单元1去实现更多的声波反射角度。在设计超表面的角度操控时，梯度相位在操纵声波的方向起着关键的作用。

最后，我们通过理论计算以及对八个声波反射单元进行排布，设计了一种反射声波的声学平板透镜，达到了声聚焦效果。如图5(a)所示，这是反射聚焦的设计示意图，黑色的箭头表示入射的平面波，然后在沿着x方向，给定焦距f＝6λ，并根据公式(2)放置设计好的声波反射单元达到所需的相位分布。通过对每个声波反射单元1的波前调制可以使得每个离散单元的反射声波在红色的弧形曲面形成同一相位波阵面的相位分布，而产生的相位梯度则是由于距离焦点F处的

距离形成。确定一个焦距f，在y方向上的每个声波反射单元1位置的相位φ(y)需满足以下等式：

根据上述公式，可以求解在y方向上聚焦在点F处的连续相位变化，具体计算结果如图5(b)所示。图中绘制了所需的相位连续分布和由声波反射单元1提供的离散相位分布，可以看出声波反射单元的排布是关于y方向上的中心点对称。所设计的结构由于相位相差π/4，因此采用这个离散的相位梯度来构造连续的相位。

通过计算的结果，我们对此进行模拟，得到了声聚焦的效应，如图6(a)所示。从图中的空间强度分布展示出了具有聚焦效果的声平板透镜，在y坐标的中心线处上，可以看出能量明显远超过周边的声场强度，也很好地验证了我们设计的理论。为了量化声透镜的性能以及验证聚焦的效果，图6(b)展示出了在x＝f处的横截面强度分布，从结果得出此处的压力强度比入射波的高大约2.7倍，这明确证实了所提出的转换表面可以较好的实现聚焦效果。

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于声超表面的声波反射调控装置，其特征在于，所述装置由至少两个依次等距离排列的声波反射单元组成；所有声波反射单元的通道开口方向相同，且通道宽度不同；每相邻两个声波反射单元之间的距离为0.03λ，λ为声波波长。

2.根据权利要求1所述的基于声超表面的声波反射调控装置，依次等距离排列的声波反射单元的通道的宽度的变化规律为逐渐变大或变小。

3.根据权利要求2所述的基于声超表面的声波反射调控装置，其特征在于，每相邻的两个声波反射单元的离散相位步长为π/4。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于声超表面的声波反射调控装置，其特征在于，所述声波反射单元由一个通道、反射板、若干个依次相邻排列的腔体组合而成；

所述反射板和腔体的腔壁都由刚性板构成，每个腔体的长度相同；

反射板设置于通道的末端，且与端部的腔体连接；

所述通道的宽度和腔体的宽度之和等于反射板的长度。

5.根据权利要求4所述的基于声超表面的声波反射调控装置，其特征在于，所有腔体的开口朝向通道。

6.根据权利要求5所述的基于声超表面的声波反射调控装置，其特征在于，所述腔体为4个。

7.根据权利要求5或6所述的基于声超表面的声波反射调控装置，其特征在于，所述声波反射单元的总体参数为：

w＝0.12λ，h＝0.345λ

其中，w是所述声波反射单元的宽度，h为所述声波反射单元的长度。

8.根据权利要求7所述的基于声超表面的声波反射调控装置，其特征在于，所述声波反射单元的内部结构参数为：

h₁＝0.01λ，h₂＝0.005λ

其中，h₁为腔体的开口宽度，h₂为腔体壁的厚度。

9.根据权利要求8所述的基于声超表面的声波反射调控装置，其特征在于，每个声波反射单元的相位随着通道的宽度的增大而减小。

10.根据权利要求9所述的基于声超表面的声波反射调控装置，其特征在于，w₁+w₂＝w

其中，w₁为腔体的宽度，w₂为通道的宽度。

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