CN112750417B - 超表面声学材料 - Google Patents

Abstract

一种超表面声学材料，由水平横向布置的若干单体结构组成，每个单体结构包括四个相对交错设置的Helmholtz共鸣器腔体以及位于共鸣器腔体之间的迷宫形卷曲折叠槽；Helmholtz共鸣器腔体两两相对，各个腔体的颈口交错且正对迷宫形卷曲折叠槽的分隔板，通过调整颈口至迷宫形卷曲折叠槽的分隔板的距离，实现全2π相位控制。本发明结合了迷宫形卷曲折叠声学超表面材料和Helmholtz共鸣器型声学超表面的共振匹配模式，不仅可以精简的调整一个参数实现超表面对声波的各种操纵功能，而且理论上易于改变为任意厚度以满足实际应用中对特定厚度的超表面的需求。

Description

超表面声学材料

技术领域

本发明涉及的是一种声学材料领域的技术，具体是一种厚度可调的超表面声学材料，其厚度调整参数可移植性强；相同频率下，不同厚度的该结构都可以实现各种各样的声波操纵功能。

背景技术

超材料是通过人工设计将材料按照特定的方式组合，其在声学超表面的应用实现了对透射声波的特殊调控，比如：异常透射、负折射、平面波聚焦等。同时表面厚度只有工作频率波长的1/10数量级，做到了小尺寸控制大波长。然而，目前所有已设计出来的声学超表面，每种结构在特定频率下都只能具有固定的设计厚度，如果想要适应特定厚度的应用场景，就需要重新设计和繁重的参数优化；这从本质上限制了任意厚度的超表面对声波的操纵的发展。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种超表面声学材料，基于空间卷起超表面结构和Helmholtz共鸣器的结合，达到任意厚度超表面对声波的操纵。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明超表面声学材料由水平横向布置的若干单体结构组成，每个单体结构包括四个相对交错设置的Helmholtz共鸣器腔体以及位于共鸣器腔体之间的迷宫形卷曲折叠槽。

所述的每个单体的模型参数依据所实现的声波操纵功能不同定制。

所述的声学超表面的Helmholtz共鸣器腔体和迷宫形卷曲折叠槽材料的声阻抗为背景媒质声阻抗的100倍以上，物理上可以作为刚性壁面。

所述的相对交错设置是指：Helmholtz共鸣器腔体两两相对，各个腔体的颈口交错且正对迷宫形卷曲折叠槽的分隔板。

所述的迷宫形卷曲折叠槽，基于相对设置的四个Helmholtz共鸣器腔体，为五段结构。

为了减小粘滞损耗对器件性能的不利影响，所述的Helmholtz共鸣器腔体和迷宫形卷曲折叠槽壁面的厚度为1mm以上。

当所述的超表面声学材料的工作频率3000Hz以上时，材料的厚度大于等于工作波长的1/4，保证粘滞损耗对器件性能可以忽略。

当所述的超表面声学材料的工作频率500Hz以下时，材料的厚度小于等于工作波长的1/2，保证声波在迷宫形卷曲折叠槽中的高阶模式分量处于深度截止状态。

技术效果

本发明整体解决了现有声学超表面厚度不可变的不足，对特定工况下设计的声学超表面具有多于两种厚度的设计，且多于两种厚度的设计不需要重复的参数优化和复杂设计。

与现有技术相比，本发明结合了迷宫形卷曲折叠声学超表面材料和Helmholtz共鸣器型声学超表面的共振匹配模式，不仅可以精简的调整一个参数实现超表面对声波的各种操纵功能，而且理论上易于改变为任意厚度以满足实际应用中对特定厚度的超表面的需求。

附图说明

图1(a)和图1(b)为本发明结构示意图；

图2为本发明一种实施例的尺寸标示图；

图3为图1实施例组合的1000Hz平面声波入射时的数值模拟声聚焦声压云图；

图4为图1实施例组合的1000Hz点源声波入射时的数值模拟声聚焦声压云图；

图5为图1实施例组合的1000Hz平面声波入射时的数值模拟超常透射声压云图；

图6为图1实施例组合的1000Hz平面声波入射时的数值模拟贝塞尔波束声强云图；

图中：Helmholtz共鸣器腔体1、颈口2、迷宫形卷曲折叠槽3、分隔板4。

具体实施方式

如图1(a)所示，为本实施例涉及一种任意厚度的超表面声学材料，由若干个水平横向布置的单体结构组成，如图1(b)所示，该单体结构包括：四个相对交错设置的Helmholtz共鸣器腔体1以及位于中间的5段式结构的迷宫形卷曲折叠槽3，其中：入射声波从迷宫形卷曲折叠槽3的一端入射，从另一端透射。

所述的相对交错设置是指：Helmholtz共鸣器腔体1两两相对，各个腔体的颈口2交错且正对迷宫形卷曲折叠槽的分隔板4，通过调整颈口至迷宫形卷曲折叠槽的分隔板的距离，实现全2π相位控制。

如图2所示，所述的单体结构的厚度w、宽度s、Helmholtz共鸣器腔体长w3、宽h3、颈口2的长度w2、宽度h2、迷宫形卷曲折叠槽宽度w1、卷曲处宽度为h1、隔间厚度t、长度L优选满足：

①迷宫形卷曲折叠槽3的入口与出口隔间长度为L/2；

②w2＝0.03w、w3＝0.225w、h2＝0.1w、t＝0.02w、L＝0.35w。

所述的单体结构的厚度w为独立参数，根据需要和工作频率可以任意调整。

当选取1000Hz作为工作频率，w选为工作波长的1/4(w＝0.0858m)，通过改变独立参数h1的取值，得到不同相位延迟的单体：h1分别为0.25w、0.27w、0.33w、0.36w、0.38w、0.40h、0.21h、0.22h、0.23h、0.24h的单体，分别对应相位延迟π/10、2π/10、3π/10、4π/10、5π/10、6π/10、7π/10、8π/10、9π/10、π。此时将具有不同相位延迟的单体在于波阵面垂直的方向上排列，每个单体的相位延迟依据入射波情况和超表面实现功能选取。这样，入射声波在到达声学相位调控阵列时，经过相位调控阵列对声波的特定调控，可以使最终的透射声波发生改变，从而产生需要的透射声波。例如：平面声波入射时透射声波声聚焦，如图3所示、球面声波入射时透射声波声聚焦，如图4所示、平面声波入射时超常透射，如图5所示、平面声波入射时透射声波形成贝塞尔波束，如图6所示。

当选取1000Hz频率以下作为工作频率，则厚度w为波长的1/4。如果改用其他厚度，则需要满足，修改前后的w3×h3值保持不变，修改前后的迷宫形卷曲折叠槽总长度保持不变。

如图3所示，1000Hz入射声波由下方入射到超表面器件，在器件上方形成透射声聚焦，显示云图为声强云图。该器件由经过设计的20个超表面单体器件横向排列组成。每个单体相位控制大小由入射声波类型和透射声聚焦位置，通过广义斯奈尔定理计算得到。由于单体不同相位延迟功能通过参数h1调整，实现图3功能的单体h1分别为0.242h、0.244h、0.2485h、0.2605h、0.312h、0.358h、0.3885h、0.2115h、0.2335h、0.2415h，分布在中间至最右侧10个单体，左侧10个单体与右侧镜像对称。仿真效果显示，平面波声源透过超表面聚焦位置声强大小高出非聚焦位置9倍。

如图4所示，1000Hz点源入射声波由下方入射到超表面器件，在器件上方形成透射声聚焦，显示云图为声压云图。该器件由经过设计的80个超表面单体器件横向排列组成。每个单体相位控制大小由入射点源位置和透射声聚焦位置，通过广义斯奈尔定理计算得到。对应的h1分别为0.242h、0.2455h、0.255h、0.311h、0.367h、0.429h、0.234h、0.2605h、0.372h、0.222h、0.2565h、0.382h、0.235h、0.331h、0.213h、0.2595h、0.4065h、0.2465h、0.3835h、0.2415h、0.3735h、0.2395h、0.37h、0.239h、0.371h、0.24h、0.376h、0.242h、0.3845h、0.246h、0.399h、0.2515h、0.4285h、0.2665h、0.2125h、0.1615h、0.2245h、0.3475h、0.235h、0.369h的，左侧40个单体与右侧镜像对称。仿真效果显示，点声源透过超表面聚焦位置声压大小高出非聚焦位置3倍。

如图5所示，1000Hz入射平面波由下方入射到超表面器件，在器件上方形成两束斜透射声束，显示云图为声压云图。右侧10各单体对应h1分别为0.25h、0.27h、0.33h、0.36h、0.38h、0.40h、0.21h、0.22h、0.23h、0.24h，左侧10个单体与右侧镜像对称。仿真效果显示，平面波声源透过超表面产生异常折射，两侧异常折射分别为45°、135°。

如图6所示，1000Hz入射平面波由左方入射到超表面器件，在器件右方形成长聚焦贝塞尔声束，显示云图为声强云图。下侧40个单体对应h1分别为0.242h、0.242h、0.243h、0.2445h、0.2465h、0.429h、0.234h、0.2605h、0.372h、0.222h、0.2565h、0.382h、0.235h、0.331h、0.213h、0.2595h、0.4065h、0.2465h、0.3835h、0.2415h、0.3735h、0.2395h、0.37h、0.239h、0.371h、0.24h、0.376h、0.242h、0.3845h、0.246h、0.399h、0.2515h、0.4285h、0.2665h、0.2125h、0.1615h、0.2245h、0.3475h、0.235h、0.369h，上侧40个单体与右侧镜像对称。仿真效果显示，长聚焦贝塞尔声束聚焦位置声强高出非聚焦位置6dB。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种超表面声学材料，其特征在于，由水平横向布置的若干单体结构组成，每个单体结构包括四个相对交错设置的Helmholtz共鸣器腔体以及位于共鸣器腔体之间的迷宫形卷曲折叠槽；

所述的相对交错设置是指：Helmholtz共鸣器腔体两两相对，各个腔体的颈口交错且正对迷宫形卷曲折叠槽的分隔板，通过调整颈口至迷宫形卷曲折叠槽的分隔板的距离，实现全2π相位控制。

2.根据权利要求1所述的超表面声学材料，其特征是，所述的声学超表面的Helmholtz共鸣器腔体和迷宫形卷曲折叠槽材料的声阻抗为背景媒质声阻抗的100倍以上。

3.根据权利要求1所述的超表面声学材料，其特征是，所述的迷宫形卷曲折叠槽，基于相对设置的四个Helmholtz共鸣器腔体，为五段结构。

4.根据权利要求1所述的超表面声学材料，其特征是，所述的Helmholtz共鸣器腔体和迷宫形卷曲折叠槽壁面的厚度为1mm以上。

5.根据权利要求1所述的超表面声学材料，其特征是，当所述的超表面声学材料的工作频率3000Hz以上时，材料的厚度大于等于工作波长的1/4，保证粘滞损耗对器件性能可以忽略；

当所述的超表面声学材料的工作频率500Hz以下时，材料的厚度小于等于工作波长的1/2，保证声波在迷宫形卷曲折叠槽中的高阶模式分量处于深度截止状态。

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