CN112712787B - 一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷及其实现方法。由内层近零折射率声子晶体Ⅰ与和外层可调谐的透射超表面Ⅱ构成，近零折射率声子晶体Ⅰ侧面布置多个可调谐的透射超表面Ⅱ，透射超表面Ⅱ中的超表面腔壳与移动块以指叉形式装配组成四腔体亥姆赫兹谐振器。实现方法中，先设计声波全向隐身斗篷后进行声隐身系统安装与调试，然后进行入射声波的传播方向调控、透射波声压扫描测试验证，最后进行全角度的声压场测试。本发明采用近零折射率声子晶体与透射型超表面相结合的方法实现隐藏目标的全角度声学隐身；提出基于结构可调控超表面单元的透射声波相位控制方法，实现任意角度的声波转向；透射声场分布结果可靠性高；可适于全角度声学隐身与性能检测。
Description
技术领域
本发明属于声学测控领域，涉及一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷及其实现方法。
背景技术
声学隐身斗篷可使声波“绕过”障碍物自由前行，不会产生任何散射，因此，物体不会被探测到，实现声学隐身效果。隐身功能的实现需要一种材料层使得被隐身物体和环境介质完全匹配，此材料层要求不仅具有各向异性的密度和体积弹性模量，而且二者呈一定规律变化，以调控弹性波的传播路径。声学超构材料作为一种新型的人工结构材料，拥有天然材料所不具备的超常物理特性，拓展了材料的声学属性，通过对声波进行精准操控，可以实现声学隐身功能。但是，苛刻的声学参数要求与理想的界面条件导致声学超构材料物制备工艺复杂，实际应用难度大。
2013年，文章“Effective zero index in locally resonant acousticmaterial”提出了一种新的声学隐身衣的概念，利用近零折射率声学材料特有的声波隧穿效应隐藏目标物体，引起了人们的广泛关注。近零折射率声子晶体由于在声波操控方面，可放宽对材料声学参数的分布要求、减小设计制备难度。通过精确设计声子晶体中的散射单元结构，在特定频率处出现零折射率现象，导致声波在其内部传播时波长被无限拉伸，传播后声波相位几乎不变，声能近乎无损耗，产生类似于量子力学中的遂穿效应。近零折射率声子晶体的遂穿效应具有一定鲁棒性，嵌入声子晶体中的隐身对象亦不会干扰到声波的传播，可实现声学隐身功能。
但是零折射率声学材料的一大特点就是只能接受垂直入射的声波，当声波的入射方向与材料表面存在偏移角度时，会有明显的反射，破坏声学隐身的效果。2019年，文章“Acoustic transmissive cloaking using zero-index materials and metasurfaces”虽然利用透射超表面实现了近零折射率材料与45透斜入射声波的完美配合。仍然存在特定情况下适用的场景(声波45情斜入射)。因此需要设计一种能够满足在声波方向任意变换的情况下，仍然调整结构使其满足声学隐身的概念，它将对声学隐身具有非常重要意义，快速推动近零折射率声子晶体在声隐身领域应用的进程。
发明内容
本发明所要解决现有的零折射率声学隐身斗篷的方向性问题(即只对特定的方向上实现隐身)，提出一种利用可调整的透射超表面结合近零折射率声子晶体实现全角度的(无方向性的)二维声学隐身斗篷的新技术，设计并制造一种基于近零折射率声子晶体与透射超表面的二维全角度声学隐身斗篷。该全角度声学隐身斗篷以中心点为隐藏目标，中间层为近零折射率声子晶体，利用零折射率材料的隧穿特性来隐藏目标；外层为透射超表面，单元包含多个亥姆赫兹共振腔，通过调节自身的腔体空间实现声波在透射单元内的2π范围内的相位变化，将斜入射的声波扭转成垂直入射的声波以配合声子晶体工作，再将声子晶体出射的垂直声波扭转成原来声波的斜入射方向实现隐身效果。具有调试简单，便于操作，实现成本低的特点。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷，所述的全角度声学隐身斗篷主要由内层近零折射率声子晶体Ⅰ与和外层可调谐的透射超表面Ⅱ构成。在方形近零折射率声子晶体Ⅰ的每一侧面均布置可调谐的透射超表面Ⅱ，近零折射率声子晶体Ⅰ外表面与透射超表面Ⅱ内侧面的距离为a。
所述的近零折射率声子晶体Ⅰ采用可方便更换的分体式结构，包括声子晶体基板1、散射体2，其中，散射体2通过键槽连接于声子晶体基板1表面，成阵列式排布。所述的声子晶体基板上1上以矩形阵列形式分布有圆形键槽，键槽间距为b，散射体2上半段为正方体结构，下半段为圆柱键体结构，散射体2通过下半段圆柱键体与声子晶体基板1圆形键槽连接，限制其在声子晶体基板1表面的移动与转动自由度，装配后的相邻散射体2正方体结构间狭缝宽度c，组成声学F-P腔结构，实现声波的遂穿。
所述的透射超表面Ⅱ布置在近零折射率声子晶体Ⅰ的四个侧面，每个侧面均包含14个透射超表面单元，每个透射超表面Ⅱ单元均包括超表面腔壳3、底部移动块4、垫片5、连接螺母6、直线位移驱动杆7。所述的超表面腔壳3可分为三部分，结构的上层部分是遮盖板，作为声场传播的上边界，限制声波在结构单元内的传播；中层部分是空气通道，包括声波的入口、出口和传播空间；下层部分是通过3个挡板隔离的底部开放立方体腔壳，腔壳的上表面开有长方体沟槽与空气通道相连。所述的底部移动块4整体呈立方体结构，上表面开有3个等距分布的沟槽，下底面设有螺纹孔结构，底部移动块4以螺纹形式与直线位移驱动杆7端部连接，并经过垫片5、连接螺母6紧固连接。超表面腔壳3与底部移动块4以指叉形式装配组成四腔体亥姆赫兹谐振器，超表面腔壳3下层部分的隔离挡板插入底部移动块4上表面沟槽配合形成移动导轨，超表面腔壳3固定后，直线位移驱动杆7可以带动底部移动块4沿导轨方向上下移动，控制亥姆赫兹谐振腔高度h，即超表面腔壳3下层部分上表面与底部移动块4上表面之间的距离。值得注意的是，传统的亥姆赫兹谐振腔都是封闭固定式，而我们通过控制底部移动块4的运动，形成可调谐的亥姆赫兹谐振腔，实现透射声波相位的调节。相邻超表面单元之间采用高强度胶体连接，形成透射超表面Ⅱ阵列。通过控制透射超表面Ⅱ上每一单元处的透射声波相位，使其垂直入射指近零折射率声子晶体Ⅰ表面，实现全角度入射声波的遂穿。
进一步的，所述近零折射率声子晶体Ⅰ外表面与透射超表面Ⅱ内侧面的距离为a与入射声波波长相关，通常设置为10～30mm；键槽间距b的取值与穿透声波的频率相关，通常设置为40～80mm；相邻散射体2间狭缝宽度c的取值与入射声波波长相关，通常设置为2～5mm。
一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷的实现方法，包括以下步骤：
第一步，设计声波全向隐身斗篷
通内层近零折射率声子晶体Ⅰ与和外层可调谐的透射超表面Ⅱ组装声波全向隐身斗篷。
利用环境空气与固体散射体2之间的密度和声速参数的差异、相邻散射体2之间的狭缝共振实现在频率点f0的透射率为1，反射率为0。近零折射率率声子晶体Ⅰ与透射超表面Ⅱ的相关设计结构仿真的分析和计算采用Comsol Multiphysics有限元仿真---声学压力模块来进行，包括能带图计算、声波透射反射率计算。通过透射率与反射率计算等效折射率与等效阻抗，公式如下：
式中，T为透射率，R为反射率，n为声学折射率，ε为声阻抗，k为波数，d为有效厚度，m为散射体与空气的密度比值。
通过亥姆赫兹谐振腔高度h以满足声波在透射超表面Ⅱ单元内的阻抗匹配，实现相位调节。其中仿真发现当谐振腔的个数超过4时，即可以实现连续声波在2π范围内的相位调节，因此，透射超表面Ⅱ采用可调谐四腔体亥姆赫兹谐振器结构，并建立相位透射波相位Φ与亥姆赫兹谐振腔高度h的数学关系。
第二步，声隐身系统安装与调试
将平面波声源8放置于工作台9上，全角度声学隐身斗篷整体安装于平面波声源8前方，将隐藏目标10放置在近零折射率率声子晶体Ⅰ中间，将透射超表面Ⅱ阵列置于近零折射率率声子晶体Ⅰ四周，近零折射率声子晶体Ⅰ外表面与透射超表面Ⅱ阵列的内表面的安装距离为a，每个透射超表面Ⅱ单元底部移动块4通过垫片5、连接螺母6与直线位移驱动杆7连接，上位机11作为控制核心，通过信号接口与直线位移驱动杆7连接，完成全角度隐身斗篷的安装就位。
第三步，入射声波的传播方向调控
每一侧透射超表面Ⅱ单元的结构是呈现阵列式排布，其中每一个透射超表面Ⅱ单元的腔体结构都是相同的，而相邻透射超表面Ⅱ单元的亥姆赫兹谐振腔高度h不同，因此，要补偿斜入射声波相位的偏差，使其垂直入射接近零折射率声子晶体Ⅰ表面，需要根据平面波的波前方向来确定亥姆赫兹谐振腔高度h的分布状态。采用广义斯涅尔定律引入突然的相位变化来描述沿透射超表面Ⅱ阵列的相位梯度，公式如下所示：
式中，θt为出射角，θi为入射角，k0为波数，x为近零折射率声子晶体Ⅰ表面切线方向，Φ(x)为x方向的相位累积，Φ(x)与h的关系通过仿真软件Comsol Multiphysics计算获得。
当平面波声源8发出探测声波后，上位机11根据入射至近零折射率声子晶体Ⅰ表面的声波角度，自动计算各个透射超表面Ⅱ单元的亥姆赫兹谐振腔高度h，控制直线位移驱动杆7带动底部移动块4运动至指定高度。
通过调节透射超表面Ⅱ单元的亥姆赫兹谐振腔高度h，每列透射超表面Ⅱ单元的亥姆赫兹谐振腔高度h呈现规律梯度排布，补偿斜入射声波相位的偏差，使声波垂直入射接近零折射率声子晶体Ⅰ表面。
第四步，透射波声压扫描测试验证
全向声学隐身斗篷的透射声压场主要集中在透射超表面Ⅱ阵列的透射声压场，为了方便测量，分次选取每一列透射超表面Ⅱ的外表面进行透射声压场测量，然后拼接出整个区域透射声压场。由于自由场传声器是单点测试仪器，即同一时间只能获取一个测试点的声压数据，因此，至少需要两只自由场传声器A12、B13才能获得瞬时透射声压分布图像。
①建立测试坐标系，以近零折射率声子晶体Ⅰ的中心为原点，选取一侧透射超表面Ⅱ的阵列，规定其单元排列方向为x方向，向右侧为正向，声波传播方向为y方向，透射方向为正向。
②将自由场传声器B13安装于正交移动平台14上，调整正交移动平台14，使其运动方向能够与x方向、y方向平行，并控制自由场传声器B13与透射超表面Ⅱ的测量侧外表面相距20mm，用于测试透射超表面Ⅱ当前侧的透射声压场。
③将自由场传声器A12放置在全向声学隐身斗篷的最左侧，并与正交移动平台14的x方向运动轨迹共线，其采集信号是用于截取透射波相位的重要参考；测量轨迹为正交移动平台14驱动的自由场传声器B13运动的多条平行于x方向线段，其中，轨迹L1是当前初始的自由场传声器B13测量轨迹，L2、L3、L4、L5是沿y正方向等间距排布的平行测量轨迹，相邻测量轨迹间距是测试声波的半波长。
④测试开始时，自由场传声器B13在正交移动平台14驱动下运动至第一段测试轨迹L1运动段的最左侧，沿x正方向每过10mm进行声压采集，在第一段测试轨迹L1对应的测试点测量完毕后，控制正交移动平台14驱动自由场传声器B13运动至第二段轨迹L2的最左侧，然后沿x正方向进行等间距采样。照此方法依次测试L3、L4、L5轨迹上的声压，然后将获得的数据信号进行平滑去噪处理，以参考信号声压的波峰信号为依据，获取测试信号当前的声压与相位，绘制声场分布图。
在一侧透射超表面Ⅱ的透射声压场测试完毕后，可以选取透射超表面Ⅱ的其他三个侧面，建立测试坐标系，重复上述步骤②～④，完成整个区域的透射声压场测量。
第五步，全角度的声压场测试
当平面波源8的方向发生变化时，经过透射超表面II的波前入射到近零折射率声子晶体I的角度会发生0°到90°之间的变化，需重复第三步、第四步的步骤，重新调整透射超表面II中的亥姆赫兹谐振腔高度h，再次将入射波前调整到垂直于零折射率声子晶体表面，重新塑造透射声压场图像，确保隐身效果。
本发明的有益效果是：
采用近零折射率声子晶体与透射型超表面相结合的方法，实现了隐藏目标的全角度声学隐身；提出基于结构可调控超表面单元的透射声波相位控制方法，实现任意角度的声波转向；通过反射子波区间辨识、波峰值提取与灰度计算、数据滤波等一系列数据处理操作，透射声场分布结果可靠性高；发明的装置与方法可适于全角度声学隐身与性能检测。
附图说明
图1(a)为基于近零折射率声子晶体与透射超表面的二维声学隐身斗篷结构图，其中：a-近零折射率声子晶体Ⅰ外表面与透射超表面Ⅱ内表面的安装距离，b-键槽间距，c-狭缝宽度，h-亥姆赫兹谐振腔高度。
图1(b)为沿图1(a)中A-A方向的剖视图。
图2为本发明提供的基于近零折射率声子晶体与透射超表面的二维声学隐身斗篷的实验场景图，其中：L1-第一段轨迹，L2-第二段轨迹，L3-第三段轨迹，L4-第四段轨迹，L5-第五段轨迹。
图3为45°时的声压测试结果。
图4为60°时的声压测试结果。
图5为0°时的声压测试结果。
图中：Ⅰ近零折射率声子晶体，Ⅱ透射超表面，1声子晶体基板，2散射体，3超表面腔壳，4底部移动块，5垫片，6连接螺母，7直线位移驱动杆，8平面波声源，9工作台，10隐藏目标，11上位机，12自由场传声器A，13自由场传声器B，14正交移动平台。
具体实施方式
结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式，说明基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷构建与效果测试过程。
第一步，近零折射率声子晶体Ⅰ的设计与制造：近零折射率声子晶体Ⅰ由声子晶体基板1与49个散射体2构成，整体长为413mm，宽为413mm，高为20mm。声子晶体基板1材料为钢，长为413mm，宽为413mm，高为6mm，圆形键槽结构呈7×7阵列式分布于声子晶体基板1上，键槽间距为59mm。散射体2材料为铝合金，上半段为正方体结构，边长为56.05mm，高14mm，下半段为圆柱键体结构，半径为15mm，高度为3mm。散射体2通过下半段圆柱键体与声子晶体基板1圆形键槽连接，限制其在声子晶体基板1表面的移动与转动自由度，安装后的狭缝宽度为2.95mm，由于铝材相对空气的明显声阻抗差异，实现频率点3016Hz处的透射率为1，反射率为0，折射率为0。本发明使用的近零折射率声子晶体Ⅰ采用铣削加工技术制造获得。
第二步，透射超表面Ⅱ的设计与制造：透射超表面Ⅱ中由超表面腔壳3、底部移动块4两部分组成。超表面腔壳3整体结构可分为三部分，上层部分是遮盖板，作为声波传播的上边界；中层部分是空气通道，包括声波的入口、出口和传播空间；下层部分是通过3个挡板隔离的底部开放立方体腔壳，腔壳的上表面开有长方体沟槽与空气通道相连。底部移动块4整体呈立方体结构，上表面开有3个相隔8mm等间距分布的沟槽，下底面设有螺纹孔结构，底部移动块4以螺纹形式与直线位移驱动杆7端部连接，超表面腔壳3与底部移动块4以叉指形式装配，超表面腔壳3下层部分的隔离挡板插入底部移动块4上表面沟槽配合形成移动导轨，组成可调谐的四腔体亥姆赫兹谐振器，亥姆赫兹谐振腔高度h最小3mm，最大19mm。实现透射声波0～2π范围的相位调节。透射超表面Ⅱ单元长为60mm，宽为28mm，高为34.5～50.5mm。超表面腔壳3、底部移动块4采用3D打印技术，材料选用树脂，树脂材料的密度与声速相比空气差别很大，适合作为腔体边界。相邻透射超表面Ⅱ单元之间采用高强度胶体连接，形成透射超表面Ⅱ阵列。
第三步，声波全向隐身斗篷组装与测试准备：将实验所需要的隐藏目标物10放置在近零折射率声子晶体Ⅰ中心位置，隐藏目标物10长为60mm，宽为60mm，高为14mm，为了与近零折射率声子晶体I的声学特性产生区别，隐藏目标物10的材料采用不锈钢。然后将透射超表面Ⅱ阵列围绕在近零折射率声子晶体Ⅰ四周，每一侧近零折射率声子晶体Ⅰ外表面与透射超表面Ⅱ阵列内表面之间的距离均为20mm，透射超表面II单元底部移动块4通过垫片5、连接螺母6与直线位移驱动杆7连接，上位机11作为控制核心，通过接口与直线位移驱动杆7连接，完成全角度隐身斗篷的安装就位。
第四步，声波全向隐身斗篷测试过程：将平面波声源8置于工作台9上，置于全角度隐身斗篷的前方，控制声波入射方向与透射超表面Ⅱ阵列法线方向成45°，启动平面波声源8发出3016Hz的正弦波，上位机11根据入射至近零折射率声子晶体Ⅰ表面声波的角度，判断波前方向，自动计算各个透射超表面Ⅱ单元的亥姆赫兹谐振腔高度h，直线位移驱动杆7驱动单元底部移动块4运动至指定位置，h与Φ(x)的曲线关系为
Φ(x)＝0.003h5-0.044h4+0.280h3-0.755h2+0.224h+3.257 (4)
通过透射超表面Ⅱ单元的亥姆赫兹谐振腔高度h调节，每列透射超表面Ⅱ单元的亥姆赫兹谐振腔高度h呈现规律梯度排布，补偿斜入射声波相位的偏差，使声波垂直入射指近零折射率声子晶体Ⅰ表面。
采用两只自由场传声器A12、B13获得瞬时透射声压分布图像。具体步骤：
①建立测试坐标系，以近零折射率声子晶体Ⅰ的中心为原点，选取透射超表面Ⅱ阵列的一侧，规定其单元排列方向为x方向，向右侧为正向，声波传播方向为y方向，透射方向为正向。
②将自由场传声器B13安装于正交移动平台14上，调整正交移动平台14，使其运动方向与x方向、y方向平行，并控制自由场传声器B13与透射超表面Ⅱ的测量侧外表面相距20mm，用于测试透射超表面Ⅱ当前侧的透射声压场。
③首先将自由场传声器A12放置在全向声学隐身斗篷的最左侧，并与正交移动平台14的x方向运动轨迹共线，其采集信号作为相位参考，测量轨迹为正交移动平台14驱动的自由场传声器B13运动的多条平行于x方向线段，其中，轨迹L1是当前初始的自由场传声器B13测量轨迹，L2、L3、L4、L5是沿y正方向等间距排布的平行测量轨迹，相邻测量轨迹间距是测试声波的半波长。
④测试开始时，自由场传声器B13在正交移动平台14驱动下运动至第一段测试轨迹L1运动段的最左侧，沿x正方向每过10mm进行声压采集，在第一段测试轨迹L1对应的测试点测量完毕后，控制正交移动平台14驱动自由场传声器B13运动至第二段轨迹L2的最左侧，然后沿x正方向进行等间距采样。照此方法依次测试L3、L4、L5轨迹上的声压，然后将获得的数据信号进行平滑去噪处理，以参考信号声压的波峰信号为依据，获取测试信号当前的声压与相位，绘制声场分布图。
在一侧透射超表面Ⅱ阵列的透射声压场测试完毕后，可以选取透射超表面Ⅱ的其他三个阵列，建立测试坐标系，重复上述步骤②～④，完成整个区域的透射声压场测量。
然后控制声波入射方向与透射超表面Ⅱ阵列法线方向修改为60°和0°，重复第四步中的声波全向隐身斗篷测试过程，绘制不同角度声波入射时的声场分布图，证明二维声学隐身斗篷全向隐身效果。
本发明提供一种基于内层近零折射率声子晶体与和外层可调谐的透射超表面构成实现的二维声学隐身斗篷，可以通过外加机械电控的方式改变外层透射超表面的相位调节能力，提供一种实现目标全角度可调谐的二维声学隐身的装置与实现方法，系统具有调试简单，便于操作，实现成本低的特点。
Claims (6)
1.一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷，其特征在于，所述的全向隐身斗篷主要由内层近零折射率声子晶体(Ⅰ)与和外层可调谐的透射超表面(Ⅱ)构成；在方形近零折射率声子晶体(Ⅰ)的每一侧面均布置可调谐的透射超表面(Ⅱ)，近零折射率声子晶体(Ⅰ)外表面与透射超表面(Ⅱ)内侧面之间的距离为a；所述的近零折射率声子晶体(Ⅰ)外表面与透射超表面(Ⅱ)内侧面的距离为a与入射声波波长相关；
所述的近零折射率声子晶体(Ⅰ)采用可方便更换的分体式结构，包括声子晶体基板(1)、散射体(2)；所述散射体(2)通过键槽连接于声子晶体基板(1)表面，成阵列式排布，相邻散射体(2)正方体结构间狭缝宽度c，组成声学F-P腔结构，实现声波的遂穿；所述的声子晶体基板上以矩形阵列形式分布有圆形键槽，键槽间距为b；所述的键槽间距b的取值与穿透声波的频率相关，所述的狭缝宽度c的取值与入射声波波长相关；
所述的透射超表面(Ⅱ)布置在近零折射率声子晶体(Ⅰ)的四个侧面，每个侧面均包含14个透射超表面单元，每个透射超表面(Ⅱ)单元均包括超表面腔壳(3)、底部移动块(4)、直线位移驱动杆(7)；所述的底部移动块(4)上表面开有等距分布的沟槽，底部移动块(4)底部与直线位移驱动杆(7)端部连接；所述的超表面腔壳(3)与底部移动块(4)以指叉形式装配组成四腔体亥姆赫兹谐振器，超表面腔壳(3)下层挡板插入底部移动块(4)上表面沟槽配合形成移动导轨，超表面腔壳(3)固定后，直线位移驱动杆(7)能够带动底部移动块(4)沿导轨方向上下移动，控制亥姆赫兹谐振腔高度h，形成可调谐的亥姆赫兹谐振腔，实现透射声波相位的调节；
相邻透射超表面(Ⅱ)单元之间采用胶体连接，形成透射超表面(Ⅱ)阵列；通过控制透射超表面(Ⅱ)上每一单元处的透射声波相位，使其垂直入射至近零折射率声子晶体(Ⅰ)表面，实现全角度入射声波的遂穿。
2.根据权利要求1所述的一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷，其特征在于，所述的超表面腔壳(3)可分为三部分，其上层为遮盖板，作为声场传播的上边界，限制声波在透射超表面(Ⅱ)单元内的传播；中层为空气通道；下层是通过挡板隔离的底部开放的立方体腔壳，腔壳上表面开有长方体沟槽与空气通道相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷，其特征在于，所述的近零折射率声子晶体(Ⅰ)外表面与透射超表面(Ⅱ)内侧面的距离为a为10～30mm；所述的键槽间距b为40～80mm；所述的相邻散射体(2)间狭缝宽度c为2～5mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷，其特征在于，所述的散射体(2)上半段为正方体结构，下半段为圆柱键体结构，散射体(2)通过下半段圆柱键体与声子晶体基板(1)圆形键槽连接，限制其在声子晶体基板(1)表面的移动与转动自由度。
5.一种权利要求1-4任一所述的基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，设计声波全向隐身斗篷
通内层近零折射率声子晶体(Ⅰ)与和外层可调谐的透射超表面(Ⅱ)组装声波全向隐身斗篷；利用环境空气与固体散射体(2)之间的密度和声速参数的差异、相邻散射体(2)之间的狭缝共振实现在频率点f0的透射率为1，反射率为0；
通过调节亥姆赫兹谐振腔高度h满足声波在透射超表面(Ⅱ)单元内的阻抗匹配，实现相位调节；其中，透射超表面(Ⅱ)采用可调谐四腔体亥姆赫兹谐振器结构；
第二步，声隐身系统安装与调试
将平面波声源(8)放置于工作台(9)上，全角度声学隐身斗篷整体安装于平面波声源(8)前方，将隐藏目标(10)放置在近零折射率声子晶体(Ⅰ)中间，将透射超表面(Ⅱ)阵列置于近零折射率声子晶体(Ⅰ)四周，近零折射率声子晶体(Ⅰ)外表面与透射超表面(Ⅱ)阵列的内表面的安装距离为a，每个透射超表面(Ⅱ)单元底部移动块(4)与直线位移驱动杆(7)连接，上位机(11)作为控制核心与直线位移驱动杆(7)连接，完成全角度隐身斗篷的安装就位；
第三步，入射声波的传播方向调控
当平面波声源(8)发出探测声波后，上位机(11)根据入射至近零折射率声子晶体(Ⅰ)表面的声波角度，自动计算各个透射超表面(Ⅱ)单元的亥姆赫兹谐振腔高度h，控制直线位移驱动杆(7)带动底部移动块(4)运动至指定高度；
通过调节透射超表面(Ⅱ)单元的亥姆赫兹谐振腔高度h，每列透射超表面(Ⅱ)单元的亥姆赫兹谐振腔高度h呈现规律梯度排布，补偿斜入射声波相位的偏差，使声波垂直入射指近零折射率声子晶体(Ⅰ)表面；
第四步，透射波声压扫描测试验证
全向声学隐身斗篷的透射声压场主要集中在透射超表面(Ⅱ)阵列的透射声压场，分次选取每一列透射超表面(Ⅱ)的外表面进行透射声压场测量，然后拼接出整个区域透射声压场；至少需要两只自由场传声器A(12)、B(13)才能获得瞬时透射声压分布图像；
①建立测试坐标系，以近零折射率声子晶体(Ⅰ)的中心为原点，选取一侧透射超表面(Ⅱ)的阵列，规定其单元排列方向为x方向，向右侧为正向，声波传播方向为y方向，透射方向为正向；
②将自由场传声器B(13)安装于正交移动平台(14)上，调整正交移动平台(14)，使其运动方向能够与x方向、y方向平行，并控制自由场传声器B(13)与透射超表面(Ⅱ)的测量侧外表面相距20mm，用于测试透射超表面(Ⅱ)当前侧的透射声压场；
③将自由场传声器A(12)放置在全向声学隐身斗篷的最左侧，并与正交移动平台(14)的x方向运动轨迹共线，其采集信号是用于截取透射波相位的重要参考；测量轨迹为正交移动平台(14)驱动的自由场传声器B(13)运动的多条平行于x方向线段，其中，轨迹L1是当前初始的自由场传声器B(13)测量轨迹，L2、L3、L4、L5是沿y正方向等间距排布的平行测量轨迹，相邻测量轨迹间距是测试声波的半波长；
④测试开始时，自由场传声器B(13)在正交移动平台(14)驱动下运动至第一段测试轨迹L1运动段的最左侧，沿x正方向每过10mm进行声压采集，在第一段测试轨迹L1对应的测试点测量完毕后，控制正交移动平台(14)驱动自由场传声器B(13)运动至第二段轨迹L2的最左侧，然后沿x正方向进行等间距采样；照此方法依次测试L3、L4、L5轨迹上的声压，然后将获得的数据信号进行平滑去噪处理，以参考信号声压的波峰信号为依据，获取测试信号当前的声压与相位，绘制声场分布图；
在一侧透射超表面(Ⅱ)的透射声压场测试完毕后，选取透射超表面(Ⅱ)的其他三个侧面，建立测试坐标系，重复上述步骤②～④，完成整个区域的透射声压场测量；
第五步，全角度的声压场测试
当平面波声源(8)的方向发生变化时，经过透射超表面(II)的波前入射到近零折射率声子晶体(I)的角度会发生0°到90°之间的变化，需重复第三步、第四步的步骤，重新调整透射超表面(II)中的亥姆赫兹谐振腔高度h，再次将入射波前调整到垂直于零折射率声子晶体表面，重新塑造透射声压场图像，确保隐身效果。
6.根据权利要求5所述的基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷的实现方法，其特征在于，所述第三步中，采用广义斯涅尔定律引入相位变化来描述沿透射超表面(Ⅱ)阵列的相位梯度，公式如下所示：
式中，θt为出射角，θi为入射角，k0为波数，x为近零折射率声子晶体(Ⅰ)表面切线方向，Φ(x)为x方向的相位累积。
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| US7791248B2 (en) * | 2006-06-30 | 2010-09-07 | The Penn State Research Foundation | Piezoelectric composite based on flexoelectric charge separation |
| US20200248988A1 (en) * | 2019-02-05 | 2020-08-06 | Alejandro Evaristo Perez | Methods, systems, and apparatus for multi-use multi-vision modular invisible covers |
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN110808024A (zh) * | 2019-10-22 | 2020-02-18 | 天津大学 | 一种基于弧形可调声学超表面的二维地毯式隐身斗篷 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 倪旭等.声子晶体和声学超构材料.《物理》.2012,(第10期), * |
| 刘海波 等.超声在机测厚接触力控制方法研究.《计算机测量与控制》.2018, * |
| 夏建平.基于新型声学人工结构的声波调控研究.《中国优秀硕士学位论文全文数据库(电子期刊)》.2020, * |
| 方欣.基于声学近零折射率材料的声波调控研究.《中国优秀硕士学位论文全文数据库(电子期刊)》.2019, * |
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