CN112254579B - 一种时域宽频的声学地毯式隐身衣及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于声学技术领域，具体涉及一种时域宽频的声学地毯式隐身衣及制作方法，通过结合一种宽频的声压局部反射定理和参数优化方法，以一种多层空气方孔堆叠型的结构为超表面基本结构单元，采用遗传算法逆向优化设计出了一种时域宽频的超表面结构；本发明所设计的时域宽频超表面结构，能够实现声波在2000‑5500Hz频率范围内的隐身，其相对带宽达到了93％以上，同时在多频脉冲入射下展示出时域宽频的隐身性能，打破了传统被动超表面带宽狭窄的限制和可调超表面时域宽频的缺陷，为宽频声学超表面结构设计和宽频声学装置的实际应用提供了关键的研究基础。

Description

一种时域宽频的声学地毯式隐身衣及制作方法
技术领域
本发明属于声学技术领域，具体涉及一种时域宽频的声学地毯式隐身衣及制作方法。
背景技术
近些年，声学超材料展示出对声波独特的操控能力。作为声学超材料的一种二维平面化，声学超表面的厚度控制在亚波长尺度内，仅仅只需要通过一层微结构单元的梯度排列就能够对声波的相位和幅值进行任意调控，从而达到以小尺寸控制大波长的目的，打破体积型声学超材料尺寸较大的限制。
声学超表面对声波的调控通常基于广义的斯涅耳定理，通过在超表面上设置梯度的相位分布来控制声波的传播方向。由于所需要的相位分布是依赖于声波的频率，因此设计出的声学超表面装置仅能在目标频率附近进行工作，具有带宽狭窄的缺陷。
声学地毯式隐身衣，作为一项非常有前景的声学应用装置，是一种通过覆盖在大地平面来对物体进行声学伪装的装置，可以模拟大地平面对外部探测声波信号的反射，从而实现对目标物体的隐藏。但由于隐身衣所需要调节的相位是随入射频率变化而变化，所以由超表面制作的隐身衣仅仅只能在较窄的目标频率范围内工作，目前单一被动的宽频声学超表面隐身衣的相对带宽仅在7％～36％左右。除此之外，虽然有通过一种可调或者可重构的方式来扩宽超表面隐身衣的工作频率范围，但是由于超表面在不同的频率下需要不同的几何构型，这种隐身衣在一个多频脉冲的声波入射下，依然不能实现时域宽频的隐身，而时域宽频的隐身衣却能更好的隐藏物体不被外界发现。因此，如何实现一种时域宽频的声学隐身对目标物体的声学隐身伪装显得至关重要。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种时域宽频的声学地毯式隐身衣及制作方法，具体涉及到结合一种宽频的声压局部反射定理和参数优化方法，以一种多层空气方孔堆叠型的结构为超表面基本结构单元，采用遗传算法逆向优化设计出了一种时域宽频的超表面结构。本发明中的时域宽频的声学地毯式隐身衣能够同时调控不同频率的反射声波的相位，使得由超表面隐身衣反射后的声场能够和地平面反射的声场相同，从而实现时域宽频隐身的效果。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种时域宽频的声学地毯式隐身衣，所述隐身衣具有将外界声波以平面波垂直入射时与地平面反射相同的平面波的曲面的超表面结构；所述超表面结构由若干个离散的超表面单胞竖直排列组成，所述超表面单胞由多层空气层状方孔堆叠形成的堆叠型结构单元构成，所述堆叠型结构单元中的每一层的空气层状方孔具有相同的厚度和不同的宽度。
所述超表面单胞单元的宽度设置为最大波长的六分之一，高度设置为最大波长的五分之一，深度方向可以根据实际情况由二维截面拉伸任意厚度得到。一种制作时域宽频的声学地毯式隐身衣的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行实现如下步骤：
根据宽频的声压局部反射定理对所述超表面结构参数进行遗传算法参数优化逆向运算获得堆叠型结构单元；其中：
所述的宽频的声压局部反射定理为
Figure BDA0002733432150000021
其中x和z是曲面超表面结构的位置坐标，Φ(f,x,z)是超表面需要调控的反射声波的宽频的相位分布函数；f和c0是调控的目标频率和介质的声速；θi和θr分别表示声波的入射角和反射角；2Dπ是相位函数Φ(f,x,z)的一个周期项，D可以取任意整数，主要用于将相位周期规整为2π的范围内；[fb,fd]是所要求实现的宽频范围；
根据宽频的声压局部反射定理的对所述的超表面结构宽频的相位分布进行设定，其中：
Figure BDA0002733432150000031
所述超表面结构可通过3D打印制作。
有益效果
与现有技术相比，本申请的有益效果是：本发明提供了一种时域宽频的声学地毯式隐身衣及制作方法，其中：该时域宽频的声学地毯式隐身衣能够同时调控不同频率的反射声波的相位，使得由超表面隐身衣反射后的声场能够和地平面反射的声场相同，从而实现时域宽频隐身的效果。
该时域宽频的声学地毯式隐身衣由堆叠型的超表面结构单元组成，其中位于隐身衣不同高度位置的超表面结构单元是不可重复的，并且都由遗传算法结合宽频的局部声压反射定理提供的理论相位为目标逆向优化设计得到，由单一的被动的超表面结构就能实现超宽频范围的隐身。
本发明所设计的时域宽频超表面结构，能够实现声波在2000-5500Hz频率范围内的隐身，其相对带宽达到了93％以上，同时在多频脉冲入射下展示出时域宽频的隐身性能，打破了传统被动超表面带宽狭窄的限制和可调超表面时域宽频的缺陷，为宽频的声学超表面结构设计和宽频声学装置的实际应用提供了关键的研究基础。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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为本发明提供的一种时域宽频的声学地毯式隐身衣的结构示意图；
图2为本发明提供的15个优化的堆叠型超表面单元的结构示意图；
图3为本发明提供的由宽频局部声压反射定理得到的宽频隐身相位与频率和超表面单胞之间关系的云图；
图4为本发明提供的由逆向优化得到的超表面单胞调控的反射相位与频率和超表面单胞之间关系的云图；
图5为本发明实施例中的多频脉冲声波入射信号的时域历程曲线和对应频谱图；
图6为本发明实施例中在多频脉冲声波入射信号垂直入射时数值模拟的理想地面在T＝30T0时刻的时域声压场分布图；
图7为本发明实施例中在多频脉冲声波入射信号垂直入射时数值模拟的目标物体在T＝30T0时刻的时域声压场分布图；
图8为本发明实施例中在多频脉冲声波入射信号垂直入射时数值模拟的时域宽频隐身衣在T＝30T0时刻的时域声压场分布图；
图9为本发明实施例中在多频脉冲声波入射信号垂直入射时实验测试得到的声学地毯式隐身衣、目标物体、理想地面的时域声压场中同一点的时间历程曲线图；
其中：1-多个频率的入射声波；2-时域宽频的声学地毯式隐身衣；3-隐身物体；4-地平面；5-多个频率的反射声波。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
一种时域宽频的声学地毯式隐身衣，采用一种曲面的超表面结构，覆盖在地面上来隐身物体，能够实现在外界声波以平面波垂直入射时与地平面反射相同的平面波，从而有效恢复由于结构曲面形状带来的扰乱声场，达到隐身伪装的目的。所述的曲面的超表面结构由30个离散的超表面单胞竖直排列组成，由于结构的轴对称性，所采用的15个超表面单胞是独立不可重复的，这15个超表面单胞是一种堆叠型结构单元，由多层空气层状方孔堆叠形成，每一层的空气层状方孔具有相同的厚度和不同的宽度。所采用的堆叠型单元的具体结构参数通过结合一种宽频的声压局部反射定理，由遗传算法经过参数优化逆向设计得到，得到的15个超表面单元对反射声波调控的相位十分接近理论要求的宽频隐身的相位，所设计的这种多层堆叠型结构单元是全新的，由遗传算法逆向优化设计得到的15个超表面单胞结构也是全新的。所述的宽频的声压局部反射定理是通过计算出二维曲面上的声压局部反射系数后，对声压局部反射系数取相角得到，这种宽频的声压局部反射定理给出了二维曲面声学超表面调控的相位与超表面形状，声波频率，入射角和反射角的关系。进一步地，可以结合这种宽频的声压局部反射定理和优化算法逆向设计出更多具有不同功能的超表面结构。
一种时域宽频的声学地毯式隐身衣的整体结构为图1中的2所示，该时域宽频的声学地毯式隐身衣由30个二维的超表面堆叠型结构单元组成，其中15个单元不可重复，这种堆叠型的单元的二维截面如图2所示，编号由1st到15th，单元的宽度设置为最大波长的六分之一，高度设置为最大波长的五分之一，深度方向可以根据实际情况由二维截面拉伸任意厚度得到。所设计的每个单元都由遗传算法对堆叠单元的空气方孔的层数和宽度逆向优化得到，可通过3D打印制作时域宽频的声学地毯式隐身衣样品。
进一步地，由所述的30个二维的超表面堆叠型结构单元组成的时域宽频的声学地毯式隐身衣通过对反射声波的相位进行调控，来实现反射声压场的重塑，超表面所需要调控的宽频的相位分布由宽频的局部声压反射定理给出为：
Figure BDA0002733432150000061
其中x和z是曲面超表面结构的位置坐标，Φ(f,x,z)是超表面需要调控的反射声波的宽频的相位分布函数；f和c0是调控的目标频率和介质的声速；θi和θr分别表示声波的入射角和反射角；2Dπ是相位函数Φ(f,x,z)的一个周期项，D可以取任意整数，主要用于将相位周期规整为2π的范围内；[fb,fd]是所要求实现的宽频范围；
进一步地，超表面要实现地毯式隐身功能，需要保证曲面超表面上各点处的入射角θi和反射角θr相等，因此得到的宽频的地毯式隐身衣的相位分布为：
Figure BDA0002733432150000071
进一步地，由上述宽频的地毯式隐身衣相位分布得到的理论的相位云图如图3所示，表示了相位与声波频率和超表面单元之间的关系。
进一步地，由遗传算法逆向优化设计得到的优化的相位云图如图4所示，表示了由优化出的单胞结构对反射波实际调控的相位与声波频率和超表面单元之间的关系，十分接近理论上所需要的相位分布。
进一步地，该时域宽频的声学地毯式隐身衣能够在相当宽的一段连续频谱范围内实现隐身，在多频率脉冲入射下，能够实现非常好的隐身效果，具有时域宽频的特性。
实施例
表1列出了本发明实施例中15个堆叠型超表面单元的上表面所处的位置高度z0(mm)、堆叠层数N、和每一层空气方孔的宽度wi(mm)，每一层空气方孔的厚度均为1mm。
图5-9为本发明的实施例，如图5所示，是测试超表面隐身衣2所用到的多频脉冲声波入射信号的时域历程曲线和对应频谱图，T0是频率为3750Hz的周期，从频谱图可以看到该多频脉冲入射信号在2000Hz到5500Hz均具有超过十分之一的声压幅值。
图6、图7、图8分别表示在多频脉冲声波入射信号垂直入射时数值模拟的理想地面4、目标物体3和声学隐身衣2在T＝30T0时刻的时域声压场分布图，从上述图可以显示本发明提供的时域宽频的声学地毯式隐身衣能够有效的重塑目标物体的反射声压场，恢复拱形的波前为平面波前，模拟理想地面对声波的反射特征，从而在多频脉冲入射下能够很好的隐藏物体。
图9为实验测试得到的在多频脉冲声波入射信号垂直入射时的声学地毯式隐身衣2、目标物体3、理想地面4的时域声压场中同一点的时间历程曲线图。从图9的实验测试结果中可以很好地体现本发明设计的时域宽频的地毯式隐身衣能够调控反射波的相位和幅值，尽量达到与理想地面所反射的声波的幅值和相位相同，从而保护物体不被外界所探测。
本发明实施例所设计的时域宽频的声学地毯式隐身衣在2000Hz到5500Hz的声波同时入射下能够实现较好的隐身效果。
综上，本发明提供了一种时域宽频的声学地毯式隐身衣及制作方法。该时域宽频的声学地毯式隐身衣能够同时调控不同频率的反射声波的相位，使得由超表面隐身衣反射后的声场能够和地平面反射的声场相同，从而实现时域宽频隐身的效果。该时域宽频的声学地毯式隐身衣由30个堆叠型的超表面结构单元组成，其中15个单元是不可重复的，并且都由遗传算法结合宽频的局部声压反射定理提供的理论相位为目标逆向优化设计得到，由单一的被动的超表面结构就能实现超宽频范围的隐身。因此本发明提供的一种时域宽频的声学地毯式隐身衣及制作方法通过全新的单一的被动结构实现了时域宽频的性能，打破了传统被动超表面带宽狭窄的限制和可调超表面时域宽频的缺陷，为宽频的声学超表面结构设计和宽频声学装置的实际应用提供了关键的研究基础。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
表1本发明实施例中15个堆叠型超表面单元的上表面所处的位置高度z0(mm)、堆叠层数N、和每一层空气方孔的宽度wi(mm)
Figure BDA0002733432150000091
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种时域宽频的声学地毯式隐身衣，其特征在于：所述隐身衣具有将外界声波以平面波垂直入射时与地平面反射相同的平面波的曲面的超表面结构；所述超表面结构由若干个离散的超表面单胞竖直排列组成，所述超表面单胞由多层空气层状方孔堆叠形成的堆叠型结构单元构成，所述堆叠型结构单元中的每一层的空气层状方孔具有相同的厚度和不同的宽度。
2.如权利要求1所述的一种时域宽频的声学地毯式隐身衣，其特征在于：所述超表面单胞单元的宽度设置为最大波长的六分之一，高度设置为最大波长的五分之一，深度方向可以根据实际情况由二维截面拉伸任意厚度得到。
3.一种制作时域宽频的声学地毯式隐身衣的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行实现如下步骤：
根据宽频的声压局部反射定理对超表面结构参数进行遗传算法参数优化逆向运算获得堆叠型结构单元；其中：
所述的宽频的声压局部反射定理为
Figure FDA0003689992430000011
其中x和z是曲面超表面结构的位置坐标，Φ(f,x,z)是超表面需要调控的反射声波的宽频的相位分布函数；f和c0是调控的目标频率和介质的声速；θi和θr分别表示声波的入射角和反射角；2Dπ是相位函数Φ(f,x,z)的一个周期项，D可以取任意整数，主要用于将相位周期规整为2π的范围内；[fb,fd]是所要求实现的宽频范围；
根据宽频的声压局部反射定理的对所述的超表面结构宽频的相位分布进行设定，其中：
Figure FDA0003689992430000021
4.如权利要求3所述的一种制作时域宽频的声学地毯式隐身衣的计算机可读存储介质，其特征在于：所述超表面结构可通过3D打印制作。
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