CN113077780B - 一种宽频编码声学超表面结构及其制作方法和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频编码声学超表面结构，包括声波反射基体，声波反射基体的反射表面上开有若干等间距矩阵排列的凹槽，部分或全部凹槽内插接有设有螺旋叶片的柱状体，螺旋叶片的轴线垂直于凹槽的底面，凹槽与柱状体插接配合。本发明还公开了一种上述的宽频编码声学超表面结构的制作方法及使用方法。本发明通过柱状体与声波反射基体组合得到螺旋声通道，通过是否放入柱状体来对超表面进行0/1编码，可以实现轴线宽频声聚焦和宽频声学天线等多种功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种超表面结构及其制作方法和使用方法，特别涉及一种宽频编码声学超表面结构及其制作方法和使用方法。
背景技术
目前，超表面是具有亚波长厚度的平面型声学超材料。通过对其微结构单元的排布，声学超表面能够自由地定制声场，可实现了多种物理特点，如异常反射或折射、吸声、全息、超稀疏反射、隐身等。声学超表面拥有深度亚波长的器件厚度和非凡的声波操控性能，因此在医疗成像、声学通信、粒子操控等领域有着巨大的应用前景。
传统超表面一经设计便无法改变，其固定的结构使得其适用频率范围较窄，其应用受到限制，对应频率范围较宽的应用场合，需要多种超表面结构，使得成本提高。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种可适用频率范围较宽的应用场合的宽频编码声学超表面结构及其制作方法和使用方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种宽频编码声学超表面结构，包括声波反射基体，声波反射基体的反射表面上开有若干等间距矩阵排列的凹槽，部分或全部凹槽内插接有设有螺旋叶片的柱状体，螺旋叶片的轴线垂直于凹槽的底面，凹槽与柱状体插接配合。
进一步地，柱状体包括圆柱轴及以其为芯轴的一对螺旋叶片，一对螺旋叶片以圆柱轴的轴线为中心，中心对称设置。
进一步地，柱状体沿螺旋叶片的轴线方向投影为正方形。
进一步地，柱状体沿螺旋叶片的轴线方向投影边长为8～120mm，其圆柱轴的直径为2～20mm，螺旋叶片的轴线方向长度为8～120mm，螺旋叶片的厚度为0.7～2.5mm，螺旋叶片的螺距为8～150mm。
进一步地，声波反射基体及柱状体均由硬质材料制成。
本发明还提供了一种上述的宽频编码声学超表面结构的制作方法，分别制作声波反射基体和设有螺旋叶片的柱状体，在声波反射基体的反射表面上开有若干等间距矩阵排列的凹槽，在部分或全部凹槽内插接柱状体，使螺旋叶片的轴线垂直于凹槽的底面，使凹槽与柱状体插接配合。
进一步地，柱状体采用3D打印方法制作。
进一步地，凹槽排列成M行N列的矩阵，M≥5，N≥1。
进一步地，对应不同的频率范围调节柱状体高度及与之匹配的凹槽深度，使凹槽内插有柱状体与未插有柱状体的两种状况下，声波反射相位差接近180度。
本发明还提供了一种上述的宽频编码声学超表面结构的使用方法，设凹槽内插有柱状体时相位编码为1，凹槽内未插有柱状体时相位编码为0；通过调整相位编码序列的排布来实现定向波束及声聚焦。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明的一种反射型宽频编码声学超表面结构，在声波反射基体的反射表面上开有若干等间距矩阵排列的凹槽，部分或全部凹槽内插接有设有螺旋叶片的柱状体，可使凹槽内插有柱状体与未插有柱状体的两种状况下，声波反射相位差接近180度，可设凹槽内插有柱状体时相位编码为1，凹槽内未插有柱状体时相位编码为0；通过调整相位编码序列的排布来实现定向波束及声聚焦等多种超表面结构应用。通过控制柱状体插入凹槽的深度，使其处于某个位置时，与对应的未插有柱状体式的凹槽相比，可以使反射声波在宽频范围内相位反相，通过控制在凹槽内插接柱状体，可以构造不同的编码排列，从而实现多种宽频波动调控能力。通过3D打印方式制作设有螺旋叶片的柱状体，制作精度高，成本低。本发明通过柱状体与声波反射基体组合得到螺旋声通道，通过是否放入柱状体来对超表面进行0/1编码，可以实现轴线宽频声聚焦和宽频声学天线等功能，可在实际应用中进行广泛推广。
附图说明
图1是本发明的一种单个凹槽与柱状体组合后的结构示意图。
图2是本发明的一种声波反射基体的结构示意图。
图3是本发明的一种柱状体的结构示意图。
图4是本发明的一种用于实现声聚焦功能的相位编码排列示意图。
图5是本发明的一种用于实现宽频声学天线功能的相位编码排列示意图。
图6为采用本发明实施例提供的超表面结构轴线声波聚焦功能效果图。
图7为采用本发明实施例在入射声波频率4.3kHz时的超表面宽频声学天线功能效果图。
图8为采用本发明实施例在入射声波频率4.7kHz时的超表面宽频声学天线功能效果图。
图9为采用本发明实施例在入射声波频率5.1kHz时的超表面宽频声学天线功能效果图。
图中：1、声波反射基体；2、柱状体；3、凹槽；4、圆柱轴；5、螺旋叶片。
a为柱状体沿螺旋叶片的轴线方向投影为正方形时的正方形的边长；d为柱状体的圆柱轴的直径；L为柱状体沿螺旋叶片的轴线方向的长度；h为螺旋叶片的厚度；P为螺旋叶片的螺距。
设每个凹槽及其四侧壁和槽底为一个单元，b表示每个单元的厚度；c为单元的宽度；t为两凹槽间侧壁厚；u为凹槽槽底厚度。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参见图1至图5，一种宽频编码声学超表面结构，包括声波反射基体1，声波反射基体1的反射表面上开有若干等间距矩阵排列的凹槽3，部分或全部凹槽3内插接有设有螺旋叶片5的柱状体2，螺旋叶片5的轴线垂直于凹槽3的底面，凹槽3与柱状体2插接配合。凹槽3的内侧表面尺寸与叶片边缘尺寸相匹配，从而使凹槽3与柱状体2插接配合。凹槽3的深度与柱状体2沿螺旋叶片5的轴线方向的长度相匹配。
进一步地，柱状体2可包括圆柱轴4及以其为芯轴的一对螺旋叶片5，一对螺旋叶片5以圆柱轴4的轴线为中心，可中心对称设置。
进一步地，柱状体2沿螺旋叶片5的轴线方向投影可为正方形。
进一步地，柱状体2沿螺旋叶片5的轴线方向投影边长可为8～120mm，其圆柱轴4的直径可为2～20mm，螺旋叶片5的轴线方向长度可为8～120mm，螺旋叶片5的厚度可为0.7～2.5mm，螺旋叶片5的螺距可为8～150mm。
凹槽3的深度与柱状体2沿螺旋叶片5的轴线方向的长度相匹配，不同的凹槽3的深度及匹配的柱状体2沿螺旋叶片5的轴线方向的长度，可以使不同频率范围的入射波，在凹槽3内插有柱状体2与未插有柱状体2的两种状况下，声波反射相位差接近180度。
可设每个凹槽3及其四侧壁和槽底为一个超表面结构单元，当采用下述尺寸时：柱状体2沿螺旋叶片5的轴线方向投影边长为20mm，其圆柱轴4的直径为8mm，螺旋叶片5的轴线方向长度为18mm，螺旋叶片5的厚度为1.2mm，螺旋叶片5的螺距为25mm。放置柱状体2的超表面结构单元与不放置柱状体2的超表面结构单元，其对声波反射时的相位差接近180度。且在2.4k-5.8k的宽频范围内保持稳定。
进一步地，声波反射基体1及柱状体2可均由硬质材料制成。硬质材料可包括硬质合金和硬质塑料。
本发明还提供了一种上述的宽频编码声学超表面结构的制作方法实施例，分别制作声波反射基体1和设有螺旋叶片5的柱状体2，在声波反射基体1的反射表面上开有若干等间距矩阵排列的凹槽3，在部分或全部凹槽3内插接柱状体2，使螺旋叶片5的轴线垂直于凹槽3的底面，使凹槽3与柱状体2插接配合。
进一步地，柱状体2可采用3D打印方法制作。
进一步地，可将凹槽3排列成M行N列的矩阵，可M≥5，可N≥1。比如M可优选15～75，N可优选1～15。
进一步地，柱状体2的尺寸控制声波传播距离，从而改变宽频范围，螺旋叶片5的轴线方向长度即为柱状体2高度，对应不同的频率范围可调节柱状体2高度及与之匹配的凹槽3深度，可使凹槽3内插有柱状体2与未插有柱状体2的两种状况下，声波反射相位差接近180度。
3D打印的柱状体2放置于凹槽3中，当柱状体2高度与某一频率范围的声波相适合时，放置柱状体2的超表面结构单元与不放置柱状体2的超表面结构单元，对该频率范围的声波反射的相位差接近180度。比如上述提及的一种柱状体2尺寸，即可适合2.4k-5.8k的宽频范围。
凹槽3内放置柱状体2后超表面结构单元编码可设为1；凹槽3内不放置柱状体2时，超表面结构单元编码可设为0。这样可以对超表面结构单元进行编码，从而实现多种宽频波动调控能力
基于此，本发明还提供了一种上述的宽频编码声学超表面结构的使用方法实施例，设凹槽3内插有柱状体2时相位编码为1，凹槽3内未插有柱状体2时相位编码为0；可通过调整相位编码序列的排布来实现定向波束及声聚焦。
下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的结构及工作原理：
一种反射型宽频编码声学超表面结构，包括：
3D打印的设有螺旋叶片5的柱状体2，以及长方体形状的声波反射基体1，声波反射基体1的反射表面上开有若干等间距矩阵排列的凹槽3：
3D打印的柱状体2包括圆柱轴4及以其为芯轴的一对螺旋叶片5，一对螺旋叶片5以圆柱轴4的轴线为中心，可中心对称设置。叶片边缘沿螺旋叶片5的轴线方向投影为矩形，以便塞入基体的凹槽3中。凹槽3的内侧表面尺寸与叶片边缘尺寸相匹配，从而使凹槽3与柱状体2插接配合。
3D打印的柱状体2和声波反射基体1均由硬质固体材料制成。
声波反射基体1可开有多个完全相同的等间距容腔为长方体形状的凹槽3，凹槽3的槽底使得入射至凹槽3的声波可以反射回空气介质。
3D打印的柱状体2放置于凹槽3中且处于某一合适深度。放置柱状体2的超表面结构单元与不放置柱状体2的超表面结构单元，其对声波反射时的相位差接近180度。且在2.4k-5.8k的宽频范围内保持稳定。设每个凹槽3及其四侧壁和槽底为一个超表面结构单元，凹槽3内放置柱状体2后超表面结构单元编码为1；凹槽3内不放置柱状体2时，超表面结构单元编码为0。
声波反射基体1的凹槽3的个数不受限定，本实施例中的凹槽3个数为18个。
通过在声波反射基体1凹槽3内放置柱状体2，使宽频编码声学超表面结构具有可编码性，放置柱状体2时超表面结构单元编码为1，不放置柱状体2时超表面结构单元编码为0，每个超表面结构单元的编码可以在0/1之间变化。
柱状体2按照一定编码排列规则放置于声波反射基体1凹槽3内，可以制成不同形式的声学超表面结构，以实现可调的宽频反射型波前调控。编码排列规则决定了声学超表面结构的形式。
请参见图3，3D打印的柱状体2的几何尺寸为：柱状体2沿螺旋叶片5的轴线方向投影可为正方形，设正方形的边长表示为a,a＝20mm，设圆柱轴4的直径表示为d，d＝8mm，设柱状体2沿螺旋叶片5的轴线方向的长度表示为L,L＝18mm，设螺旋叶片5的厚度表示为h，h＝1.2mm，设螺旋叶片5的螺距表示为P，P＝25mm。
请参见图2，设每个凹槽3及其四侧壁和槽底为一个超表面结构单元，超表面结构单元的尺寸为：设每个超表面结构单元的厚度表示为b，b＝23mm，设超表面结构单元的宽度表示为c，c＝22.4mm，设两凹槽3间侧壁厚表示为t,t＝1.2mm，设凹槽3槽底厚度表示为u，u＝5mm，这样凹槽3的内壁长度和宽度均为20mm，与柱状体2沿螺旋叶片5的轴线方向投影边长a相等，凹槽3的深度与柱状体2沿螺旋叶片5的轴线方向的长度L相等，相邻凹槽3距离等于凹槽3宽度20mm加上一侧侧壁厚t。
本发明可以实现宽频编码声学调控，包括轴线声波聚焦和宽频声学天线：
一、轴线声波聚焦
以声波反射基体1的水平中线为对称轴时，可以通过调节入射声波的相位来实现声聚焦，将柱状体2在声波反射基体1凹槽3中的排列位置也是关于水平中线轴对称分布，并且聚焦点在水平中线上。
放置柱状体2的超表面结构单元与不放置柱状体2的超表面结构单元，其对声波反射时的相位差接近180度。设对反射声波的相位差为π。因此，第i和第i-1这两个相邻的超表面结构单元，相位编码区域至聚焦点的距离差应满足如下公式(1)：
其中di＝(xf 2+ri 2)1/2是第i个超表面结构单元至聚焦点的距离，xf是焦距，ri是第i个超表面结构单元中心到中心轴的距离，λ0＝c0/f是声波的波长，c0是空气中的声速。f表示声波频率。
例如将柱状体2按照一定编码规则放置于声波反射基体1凹槽3中，此时定义xf＝0.2m，当频率为f＝4100Hz时，根据公式(1)，可以计算出ri，进而可以得到柱状体2在放置于声波反射基体1凹槽3中放置位置的编码序列，放置位置的编码序列为:“011100000000001110”，聚焦效果见附图6。当频率大于2.4kHz小于5.8kHz时，放置柱状体2的超表面结构单元与不放置柱状体2的超表面结构单元，其对声波反射时的相位差接近180度。因此这里频率的选择范围是2.4kHz-5.8kHz。
二、宽频声学天线
当一束平面波沿轴向垂直入射到本发明的宽频编码声学超表面结构时，周期性编码的超表面结构可以将反射声波调制为两束，且两束反射波关于轴线对称，其与轴线的夹角θ为如下公式(2)：
其中λ为波长，Γ为柱状体2周期编码模式下的周期，单位为m。
这里给出一个具体实例来进一步说明：如果将3个插入柱状体2的编码和3个不插入柱状体2的编码记为一个周期，则周期编码序列为：“111000111000111000”,当一束频率分别为4300Hz,4700Hz,5100Hz的平面波以入射角为零，即垂直扫射时，根据公式(2)可计算出其对应的反射角分别为：38.8°，35.0°，31.9°。入射平面波被反射成关于结构中心轴对称，即反射角相同的两束波。当入射波频率在2.7kHz-5.8kHz范围内扫射时，可实现反射角在90°～27.7°范围内的连续变化。
本发明实施例的结构只需通过3D打印和机械加工得到，加工简单。
本发明通过柱状体2与声波反射基体1凹槽3组合得到螺旋声通道，通过是否放入柱状体2来对超表面进行0/1编码，可以实现轴线宽频声聚焦和宽频声学天线等功能，在实际应用中具有重要意义。
图6为本发明实施例提供的超表面结构轴线声波聚焦功能效果图。入射声波频率为4.1kHz，焦距为0.2m。
图7至图9为本发明实施例提供的超表面宽频声学天线功能效果图。图7入射声波频率为4.3kHz，图8入射波频率为4.7kHz,图9入射波频率为5.1kHz，不同频率对应的反射声辐射角度不同。
以上的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
Claims (9)
1.一种宽频编码声学超表面结构，其特征在于，包括声波反射基体，声波反射基体的反射表面上开有若干等间距矩阵排列的凹槽，部分凹槽内插接有设有螺旋叶片的柱状体，螺旋叶片的轴线垂直于凹槽的底面，凹槽与柱状体插接配合；柱状体高度及与之匹配的凹槽深度根据不同的频率范围调整，使凹槽内插有柱状体与未插有柱状体的两种状况下，声波反射相位差接近180度。
2.根据权利要求1所述的宽频编码声学超表面结构，其特征在于，柱状体包括圆柱轴及以其为芯轴的一对螺旋叶片，一对螺旋叶片以圆柱轴的轴线为中心，中心对称设置。
3.根据权利要求1所述的宽频编码声学超表面结构，其特征在于，柱状体沿螺旋叶片的轴线方向投影为正方形。
4.根据权利要求3所述的宽频编码声学超表面结构，其特征在于，柱状体沿螺旋叶片的轴线方向投影边长为8～120mm，其圆柱轴的直径为2～20mm，螺旋叶片的轴线方向长度为8～120mm，螺旋叶片的厚度为0.7～2.5mm，螺旋叶片的螺距为8～150mm。
5.根据权利要求1所述的宽频编码声学超表面结构，其特征在于，声波反射基体及柱状体均由硬质材料制成。
6.一种权利要求1至5任一所述的宽频编码声学超表面结构的制作方法，其特征在于，分别制作声波反射基体和设有螺旋叶片的柱状体，在声波反射基体的反射表面上开有若干等间距矩阵排列的凹槽，在部分凹槽内插接柱状体，使螺旋叶片的轴线垂直于凹槽的底面，使凹槽与柱状体插接配合。
7.根据权利要求6所述的宽频编码声学超表面结构的制作方法，其特征在于，柱状体采用3D打印方法制作。
8.根据权利要求6所述的宽频编码声学超表面结构的制作方法，其特征在于，凹槽排列成M行N列的矩阵，M≥5，N≥1。
9.一种权利要求1至5任一所述的宽频编码声学超表面结构的使用方法，其特征在于，设凹槽内插有柱状体时相位编码为1，凹槽内未插有柱状体时相位编码为0；通过调整相位编码序列的排布来实现定向波束及声聚焦。
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