CN112750416A - 一种基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置 - Google Patents

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江雪
他得安
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Abstract

本发明公开了一种基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置，包括：多组间隔排列的凹型单元格和凸型单元格，其中，凹型单元格的数量和凸型单元格的数量根据被隐身体的形状和大小调整。本发明的基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置能够实现对不同尺寸、不同材质物体的隐身效果，且该装置呈平板状、体积小、设计简单、制作成本低、操作空间大，不需要任何的电路调控手段，仅靠自身的结构特性就可以实现上述功能，还可以通过仅改变平板倾斜角度、不改变任一几何结构参数实现相对宽频范围内的超声隐身，拓展了水环境中超声频段内声学隐身的可能性。

Description

一种基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置
技术领域
本发明属于声学领域，具体涉及一种基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置。
背景技术
无论是在基础物理领域还是实际的应用领域，有目的地操控声波是声学研究的重要问题。近年来，空气环境中的声学隐身发展逐渐成熟，如何在水相环境(例如水下或人体内)中使用声学超材料实现声学隐身，成为国内外研究的一个热点。问题的关键在于空气和水的声学属性不同，在空气中控制声场流动时，固体实质上可以被看作是完美的刚性结构，但是在水环境中，水与固体材料在密度和抗压刚度等方面相差不大。传统的方法主要是利用设计具有各向异性声学参数的复杂结构，例如分层多孔板结构，以达到理想的变换声学理论所需要的声学参数。然而，这种传统的方案，在产生过程中都要求所设计的声学结构复杂精密，需要同时精细地调控多个结构几何参数，如分层多孔板中的孔径大小、层间距离、夹角等参数，才能实现水下声隐身，高成本和复杂的操作过程限制了其在现实中的应用。再者，现有的水下声学隐身装置通常具有庞大的体积，其尺寸一般在几十个声波波长的数量级，大体积同样严重限制了其在现实中的应用。同时，已有的声学隐身装置的设计，大多数都与被隐身物体的尺寸和材质相关，即对某种特定尺寸和材质的物体，需要有针对性地设计相应的隐身结构。设计一种可以对任意尺寸和材质物体都有效的隐身结构，具有重要的意义。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够通过引入额外的相位延迟，使得由被隐身物体产生的反射声场沿着原入射声波的相反方向反射，其与只存在垂直于入射声场的底部刚性边界的反射声场一致，从而达到隐身效果的基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置。
本发明提供了一种基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置，具有这样的特征，包括：多组间隔排列的凹型单元格和凸型单元格，其中，凹型单元格的数量和凸型单元格的数量根据被隐身体的形状和大小调整。
在本发明提供的基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，凹型单元格和凸型单元格的图形对称，凹型单元格与凸型单元格的材质相同、总高度相同，且两者的总高度均大于0.5λ，λ为入射声波的波长。
在本发明提供的基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，凹型单元格的宽度与凸型单元格的宽度都小于2λ，λ为入射声波的波长。
在本发明提供的基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，凹型单元格的凸起区宽度与凸型单元格的凸起区宽度相等，凹型单元格的凸起区高度与凸型单元格的凸起区高度相等，凹型单元格的下凹区宽度与凸型单元格的下凹区宽度相等，凹型单元格的下凹区高度与凸型单元格的下凹区高度相等。
在本发明提供的基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，凹型单元格与凸型单元格均采用声学超材料，且该声学超材料的声阻抗大于水声阻抗的20倍。
在本发明提供的基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，装置在Z轴方向的长度随着隐身体的形状和大小灵活调整。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置，使用时，将被隐身物体放置于超声隐身超表面装置下方，以某特定方向入射的原始声场被隐身装置的表面所反射，由于额外相位延迟的引入，反射声波可以沿原入射声波相反的方向反射，其与刚性硬边界的反射声场一致，从而达到隐身效果。本发明不需要任何的电路调控手段，仅靠自身的结构特性就可以实现上述功能，还可以通过仅改变平板倾斜角度、不改变任一几何结构参数实现相对宽频范围内的超声隐身，这在应用中具有很好的优势，特别是在集成声学器件的设计和应用。
此外，本发明的基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置能够实现对不同尺寸、不同材质物体的隐身效果，且该装置呈平板状、体积小、设计简单、制作成本低、操作空间大，其亚波长范围的体积为多功能紧凑型声学元件的设计提供新思路，良好的水声隐身性能在生物医学诊断、军事国防等方向具有重大意义，还拓展了水环境中超声频段内声学隐身的可能性，为多功能紧凑型声学元件的设计提供了新思路。
附图说明
图1是本发明的实施例中基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置的结构示意图；
图2是本发明的实施例中基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置的原理示意图；
图3是本发明的实施例中基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置的凹型单元格的结构示意图；
图4是本发明的实施例中基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置凸型单元格的结构示意图；
图5是本发明的实施例中声目标强度降低(TSR)随凹型单元格几何参数w2/L1的变化关系示意图；
图6是本发明的实施例中入射声波频率f随装置与水平面倾斜夹角θ的变化关系；
图7是本发明的实施例中底部刚性声场边界的反射压力场仿真分布图；
图8是本发明的实施例中仅有被隐身物体的反射压力场仿真分布图；
图9是本发明的实施例中本发明覆盖被隐身物体的反射压力场仿真分布图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
实施例：
图1是本发明的实施例中基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置的结构示意图。
如图1所示，本实施例的一种基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置100，包括：多组间隔排列的凹型单元格1和凸型单元格2，凹型单元格1的数量和凸型单元格2的数量根据被隐身体的形状和大小调整。
图2是本发明的实施例中基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置的原理示意图。
如图2所示，将超声隐身超表面装置100倾斜放置，与水平面呈夹角，当原始声场垂直入射到所设计的结构时，反射声场将被附加上一个额外的相位延迟，使得反射声波沿原入射路径方向反射，达到隐身效果。图2中，实线箭头指示声波的实际传播方向，虚线箭头指示声波无额外相位时的反射方向。
图3是本发明的实施例中基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置的凹型单元格的结构示意图，图4是本发明的实施例中基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置凸型单元格的结构示意图。
如图3和图4所示，凹型单元格1和凸型单元格2的图形对称，数量相同，凹型单元格1与凸型单元格2的材质相同、总高度相同，且两者的总高度均大于0.5λ，λ为入射声波的波长。
凹型单元格1的宽度L1与凸型单元格2的宽度L2都小于2λ，λ为入射声波的波长。
凹型单元格1的凸起区宽度w1与凸型单元格2的凸起区宽度w4相等，凹型单元格1的凸起区高度h1与凸型单元格2的凸起区高度h3相等。
凹型单元格1的下凹区宽度w2与凸型单元格2的下凹区宽度w3相等，凹型单元格1的下凹区高度h2与凸型单元格2的下凹区高度h4相等。
凹型单元格1与凸型单元格2均采用声学超材料，且该声学超材料的声阻抗大于水声阻抗的20倍。
图5是本发明的实施例中声反射强度降低(TSR)随凹型单元格几何参数w2/L1的变化关系示意图。
图5所示，设定相关的几何参数为：(h1，h2，w1+w2)＝(0.25，1，0.7)λ，λ为入射声波的波长。通过调节结构的几何参数w2/L1，可以得到不同结构比例下的超表面的反射声场分布。声目标强度(TS)是通过反射声波强度定量描述目标反射特性的参量，我们利用声目标强度降低(TSR)来定性地评价所设计结构的隐身效果。
对本实施例进行仿真，背景介质设定为水，其密度和声速分别为1000kg/m3和1500m/s，入射声波的频率为300kHz，其波长λ＝5mm。结构的材料为不锈钢，密度为7850kg/m3，声速为5740m/s。其他声学阻抗足够大的材料同样能够用来制作本实施例中基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置100的结构，只需满足材料的声阻抗大于水声阻抗的20倍即可，例如其他金属、合金等材料，都能够作为优选材料。分别以几何参数w2/L1为1/7，1/5，1/4，1/3，3/7，1/2，3/5进行仿真，得到对应的TSR(单位dB)分别为-5.4252，-5.82421，-5.79046，-5.71821，-5.88106，-6.10412，-5.51893。其具体关系如图5所示，不同的w2/L1比例的超表面结构均可以获得良好且稳定的声目标强度降低值，说明该超声隐身超表面装置100具有良好的可调节性和结构容错性。
图6是本发明的实施例中入射声波频率f随装置与水平面倾斜夹角θ的变化关系。
如图6所示，设定相关的几何参数为(h1，h2，w1，w2)＝(0.25，1，0.35，0.35)λ，λ为入射声波的波长。我们不需要改变超声隐身超表面装置100的任一几何参数，仅通过调节超表面与水平面的夹角θ，就可以在不同频率f的入射声波作用下，达到一致的隐身效果。本实施例实现了相对宽频范围的水下超声隐身效果。
图7是本发明的实施例中底部刚性声场边界的反射压力场仿真分布图，图8是本发明的实施例中仅有被隐身物体的反射压力场仿真分布图，图9是本发明的实施例中本发明覆盖被隐身物体的反射压力场仿真分布图。
如图7-图9所示，图中白色实线箭头指示入射声场方向，白色虚线箭头指示反射声场方向。
图7表示当区域中不存在被隐身物体时，仅由垂直于入射声场的底部刚性边界引起的反射声压场，此时反射声场将沿着原入射路径相反的方向反射回去。
图8表示区域中存在的圆形刚性被隐身物体将对反射声场造成明显干扰。
进一步地，如图9所示，若将本实施例的超声隐身超表面装置100覆盖于被隐身物体上方，隐身超表面能够引起额外的相位延迟，使得被隐身物体几乎无法对声场产生影响，此时，反射声场与原底部刚性边界下的反射声场基本一致，即完美地实现了对被隐身物体的隐藏效果。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置，使用时，将被隐身物体放置于超声隐身超表面装置下方，以某特定方向入射的原始声场在被隐身装置的表面发生反射，由于额外相位延迟的引入，反射声波可以沿原入射声波相反的方向反射回去，其与垂直于入射声波方向的底部刚性声场边界的反射声场一致，从而达到隐身效果。本实施例不需要任何的电路调控手段，仅靠自身的结构特性就可以实现上述功能，还可以通过仅改变平板倾斜角度、不改变任一几何结构参数实现相对宽频范围内的超声隐身，这在应用中具有很好的优势，特别是在集成声学器件的设计和应用中。
此外，本实施例的基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置能够实现对不同尺寸、不同材质物体的隐身效果，且该装置呈平板状、体积小、设计简单、制作成本低、操作空间大，其亚波长范围的体积为多功能紧凑型声学元件的设计提供新思路，良好的水声隐身性能在生物医学诊断、军事国防等方向具有重大意义，还拓展了水环境中超声频段内声学隐身的可能性，为多功能紧凑型声学元件的设计提供了新思路。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置，其特征在于，包括：多组间隔排列的凹型单元格和凸型单元格，
其中，所述凹型单元格的数量和所述凸型单元格的数量根据被隐身体的形状和大小调整。
2.根据权利要求1所述的基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置，其特征在于：
其中，所述凹型单元格和所述凸型单元格的图形对称，
所述凹型单元格与所述凸型单元格的材质相同、总高度相同，且两者的总高度均大于0.5λ，λ为入射声波的波长。
3.根据权利要求1所述的基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置，其特征在于：
其中，所述凹型单元格的宽度与所述凸型单元格的宽度都小于2λ，λ为入射声波的波长。
4.根据权利要求1所述的基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置，其特征在于：
其中，所述凹型单元格的凸起区宽度与所述凸型单元格的凸起区宽度相等，所述凹型单元格的凸起区高度与所述凸型单元格的凸起区高度相等，
所述凹型单元格的下凹区宽度与所述凸型单元格的下凹区宽度相等，所述凹型单元格的下凹区高度与所述凸型单元格的下凹区高度相等。
5.根据权利要求1所述的基于广义斯涅尔定律的超声隐身超表面装置，其特征在于：
其中，所述凹型单元格与所述凸型单元格均采用声学超材料，且该声学超材料的声阻抗大于水声阻抗的20倍。
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