CN113032975B - 一种消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长结构的参数调制方法 - Google Patents

一种消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长结构的参数调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长声透明结构的参数调制方法。具体通过亚波长声透明结构单元通过在声学单元中插入亚波长尺度刚性薄板构成，背景流体为空气。根据已知直波导物理参数推导亚波长结构目标参数分布，根据亚波长声透明结构目标参数得到结构对应的几何参数和温度分布。控制环绕在波导上的储水容器和进水开口的尺寸，利用固定温度的热水使波导上产生目标温度分布。在波导的弯曲部分填充相应亚波长声透明结构，可以实现沿弯曲路径引导宽带声波并不产生任何反射或散射。本发明的亚波长声透明结构具有良好的消除散射性能，通过设计结构阻抗可以和背景流体完美匹配，具有控制和保持所引导声波波阵面使其不受散射影响而扭曲的作用，声波在基于此亚波长声透明结构的弯曲波导中能够像所预期的一样传播。

Description

一种消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长结构的参数调制 方法
技术领域
本发明属于声学材料领域，涉及一种亚波长声透明结构，特别涉及一种消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长结构的参数调制方法。
背景技术
采用亚波长单元设计的声学超材料的声学特性能够极大地拓宽的材料声学参数的可实现范围，突破了天然材料的局限。声学超材料能实现的超常物理效应改变了声学领域各种问题的传统研究理念，极大地提高了人们操控弹性波的能力。通过在亚波长尺度上设计结构单元，可以实现自然界中不存在的超常材料参数，从而能够使波在特定范围发生反射、折射或者沿着给定路径传播。目前，坐标变换方法是声操控器件设计的一种常用方法。假设有两个不同的声学系统受到同一个声源的激励，一般来说，不同的材料分布的两个系统会给出不同的声学响应，但根据变换声学理论，可以找到一个坐标变换，通过选择适当的参数，使两个系统在外界探测下出现相同的检测结果。
在过去用于各种实际应用的声学器件中，声信号通常用直波导传输。弯曲波导中由于弯曲部分附近的绕射，声波会被扭曲的波前反射，导致声波能量的传输效率的损害。然而各种应用中的声波路径通常是非直线的，需要进一步研究在弯曲波导中如何在不引起实质性反射的情况下，通过弯曲部分高效传输宽带声波。此外声学超材料在过去的研究中为了简化制作往往通过采用缩放理想值来得到所需折射率而忽略了阻抗设计，这不可避免地会导致阻抗失配从而影响目标波操纵效果。如何得到阻抗匹配的声学结构同样是一个需要进一步研究的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长结构的参数调制方法，利用特殊的参数调制步骤扩宽结构参数的可实现范围，解决阻抗失配问题，实现声波在弯曲路径中的低反射传播。
本发明的技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长结构的参数调制方法
根据已知直波导物理参数ρ0和κ0，坐标变换推导出亚波长结构目标物理参数ρ和κ，按照参数调制步骤，得到亚波长结构具体几何参数和所需调制温度，在尺寸L＝0.5cm的结构单元中插入刚性薄板构成亚波长结构，所述低反射弯曲波导由在波导弯曲部分周期性排列亚波长结构构成。
根据本发明，亚波长结构单元中安插的薄板的尺寸为l1×l2×h，所有薄板的厚度l2都选择为0.2mm。
根据本发明，从单元几何参数和温度两个方面调制亚波长声透明结构参数。
根据本发明，波导的总长度为40cm，直波导部分为10cm，只对左半部分进行设计，右半部分通过对称反演得到。将波导的左半弯曲部分分成5段，每段角度不同。
根据本发明，左半部分波导的角度分别为9.5°，10.5°，11.7°，12.8°，13.5°。对应的各向异性板长度为2.88mm、3mm、3.15mm、3.28mm、3.35mm，所需温度为288.2K，293.7K，299.7K，305.7K，309.7K。右半部分相应参数与左半部分相同。
根据本发明，模拟和实验的入射声信号是一个被10kHz正弦信号调制的0.8ms高斯脉冲。
本发明中利用3D打印的方式制备上述基于各向异性声透明结构的弯曲波导。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明提出了新颖的参数调制方法，从亚波长结构的几何参数和温度两方面进行调控从而拓宽结构参数的可实现范围，使得结构的阻抗和背景流体完美匹配，结构表现出声透明效果。
2.本发明在弯曲波导的弯曲部分周期性排列亚波长结构，实现引导声波低反射传播的作用，消除原先由于声波在普通弯曲波导的弯曲部分发生的绕射导致的波损耗，使得声波高效传播。
3.本发明给出基于亚波长结构的弯曲波导的仿真以及实验演示，证明在该结构在仿真和实际中都具有理想的消除散射，引导声波高效传播的效果，为波操控器件的未来发展给出有效的参考。
附图说明
图1是本发明的亚波长声透明结构单元示意图与参数调制步骤示意图。
图2是本发明的温度控制示意图(a)与基于亚波长声透明结构的弯曲波导系统示意图(b)。
图3是本发明的低反射弯曲波导数值模拟及实验检测结果图。(a)和(b)是频域模拟结果图，(c)是时域模拟结果图，(d)是低反射弯曲波导的实验性能测试结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明提供一种能够消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长结构的参数调制方法，所述结构通过以下步骤设计得到：
本发明的亚波长结构可以通过3D打印制备，亚波长结构的性能通过检测透射信号进行表征。
基于坐标变换，根据已知直波导参数分布(质量密度ρ0和体积模量κ0，与空气相同)，推导得到亚波长声透明结构单元的目标参数分布。对弯曲波导进行分段操作，不同波导角度对应不同亚波长结构目标参数分布。图1是本发明的亚波长声透明结构单元示意图与参数调制步骤示意图。亚波长声透明单元尺寸L＝0.5cm，在单元中安插刚性薄板，薄板的尺寸为l1×l2×h，所有薄板的厚度l2都选择为0.2mm。由于这里不存在空间上的压缩，亚波长结构所需的体积模量与空气相同。在仿真软件中，通过研究10kHz平面声波入射到亚波长结构中的反射和透射情况，可以逆向反演得到亚波长结构等效参数随着结构几何参数和温度的变化情况，如图1(b)和(c)所示。这里选择α＝10.5°作为参数调制方法说明，图1(b)中实线代表亚波长结构质量密度各向异性ρx/ρy，根据目标质量密度各向异性(点线)与实线的交点，得到亚波长结构对应的几何参数l1值。同时在图1(c)中，根据单元质量密度ρy/ρ0(实线)与结构目标ρy/ρ0(虚线)的交点可以得到弯曲角度为10.5°时，亚波长结构所需调制温度。该参数调制方法可拓宽参数的可实现范围，实现结构阻抗与背景流体完美匹配。图1(d)验证了弯曲角度10.5°的结构参数有效性，通过仿真软件得到亚波长结构等效参数在8kHz～12kHz频率范围内的变化，实线代表单元的ρx/ρ0，虚线代表κ/κ0，点线代表角度为10.5°时所需的ρx/ρ0值。参数分布结果表明结构等效参数能在频率为10kHz时满足坐标变换的要求，体积模量保持各向同性。
图2是本发明温度控制示意图与基于亚波长声透明结构的波导系统示意图。波导总长度为40cm，如图所示，直波导部分为10cm，弯曲部分分成10段，由于波导左右对称，只需对波导左半部分进行设计，右半部分通过对称反演得到。周期性地将设计的亚波长结构填充在弯曲波导的相应弯曲部分，并安排充有热水的装置环绕在波导上得到低反射弯曲波导结构。左半部分各段弯曲波导的五段弯曲部分角度分别为9.5°，10.5°，11.7°，12.8°，13.5°。对应的各向异性板长度为2.88mm、3mm、3.15mm、3.28mm、3.35mm，所需温度为288.2K，293.7K，299.7K，305.7K，309.7K。图2(b)所示的波导中心部分为温控装置，是一个矩形容器，总长为16cm，通过控制容器位置和下方进水开口的尺寸，将固定温度313K的热水注入容器中构建一个水循环，使得在波导中形成渐变的温度分布逼近目标温度梯度分布，如图2(a)所示。
图3是本发明的亚波长声透明结构效果结果图。3(a)和3(b)分别是当10kHz平面波经过本发明的弯曲波导系统和充满空气的普通弯曲波导时的压力场。图3(a)中可以看到，和图3(b)中普通弯曲波导中扭曲的压力场相比，所述的结构系统中的波前没有受到干扰，这清楚地证明该结构具有良好的低反射性能。图3(c)是本发明的时域模拟结果图。在图3(c)上标记的检测点位置处检测声波在波导中的透射波信号。在设计的结构系统中，散射信号得到了抑制，表明了设计的亚波长声透明结构可以引导声波低反射地通过弯曲波导。图3(d)是本发明的低反射弯曲波导的实验性能测试结果图。利用3D打印制作设计的波导样品。选择实验检测点与模拟情况相同。从图中所示的结果可以看出，填充设计的系统(红线)的波导的散射信号明显小于普通弯曲波导(蓝线)，证明设计的结构能够像预期的那样引导声波低反射传播且信号不发生扭曲。

Claims (7)

1.一种消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长声透明结构的参数调制方法，其特征在于：
(1)根据已知直波导物理参数ρ0和κ0以及弯曲波导角度α，通过坐标变换推导亚波长结构的参数分布，得到亚波长结构目标参数分布ρ和κ，在实际物理空间中能够使声波在弯曲波导中的传播情况和直波导表现相同；
(2)通过特殊参数调制步骤调制亚波长结构具体参数，建立亚波长结构单元模型，在仿真软件中得到亚波长结构等效参数随着板几何参数和温度的分布，根据已推导出的亚波长结构目标参数ρ和κ，得到亚波长结构单元的具体几何参数和温度；
(3)在弯曲部分周期性安排亚波长声透明结构构建低反射弯曲波导，控制环绕在波导上的储水容器及进水口的尺寸，注入固定温度的热水使得波导上产生渐变的温度分布逼近目标温度分布；
(4)通过在相应弯曲路径上周期排列亚波长声透明结构引导宽带声波延特定路径传播且在介质边界及弯曲传播路径上均不形成反射波或散射波；
(5)通过3D打印方法制备亚波长声透明结构，确保被引导的声场波阵面和空间分布得以保持，不发生变形，在相应位置探测得到的时域透射信号与入射波一致。
2.根据权利要求1所述的消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长声透明结构的参数调制方法，其特征在于，已知直波导物理参数为质量密度ρ0和体积模量κ0，与空气相同；对弯曲波导左半弯曲部分分成五段，五段弯曲波导弯曲角度不同，右半段由左半段对称反演得到；弯曲角度设为α，根据直波导物理参数推导出亚波长声透明结构目标参数分布为：
Figure FDA0002964246880000011
3.根据权利要求1所述的消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长声透明结构的参数调制方法，其特征在于，所述的热水的固定温度为313K。
4.根据权利要求1所述的消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长声透明结构的参数调制方法，其特征在于，亚波长声透明结构通过在声学单元中插入亚波长尺度刚性薄板构成，单元的尺寸L＝0.5cm。
5.根据权利要求4所述的消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长声透明结构的参数调制方法，其特征在于，薄板的厚度l2都选择为0.2mm。
6.根据权利要求1所述的消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长声透明结构的参数调制方法，所述的波导的总长度为40cm，直波导部分为10cm。
7.根据权利要求6所述的消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长声透明结构的参数调制方法，所述的波导分为左右两部分，其中，左半部分波导的角度分别为9.5°，10.5°，11.7°，12.8°，13.5°；对应的各向异性板长度为2.88mm、3mm、3.15mm、3.28mm、3.35mm，所需温度为288.2K，293.7K，299.7K，305.7K，309.7K；右半部分相应参数与左半部分相同。
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