CN113808568B - 一种可调控水下声波折射角的多频率声超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种可调控水下声波折射角的多频率声超表面，它是由多个均匀介质单元按周期性排列组成的二维阵列平面。本发明较传统周期性超表面结构，能够在更小尺寸的周期性结构下实现多频率水下声波折射声波调控。它包括：均匀介质单元(1)、均匀介质单元(2)、均匀介质单元(3)、均匀介质单元(4)、均匀介质单元(5)、均匀介质单元(6)、均匀介质单元(7)、均匀介质单元(8)以及隔板(9)，均匀介质单元(1)、均匀介质单元(2)、均匀介质单元(3)、均匀介质单元(4)、均匀介质单元(5)、均匀介质单元(6)、均匀介质单元(7)、均匀介质单元(8)在水平面上呈周期排列，每两种均匀介质单元间用隔板(9)隔开。
Description
技术领域
本发明属于声学超表面技术领域，具体涉及一种可调控水下声波折射角的多频率声超表面。
背景技术
近些年来，声学超材料发展迅速，它与传统声学材料拥有截然不同的非凡性能，能够极大地拓展并改善人们对声波的调控方式，可以实现很多独特的声学现象，如声波的异常反射和异常透射、声波聚焦、螺旋声场、完美声吸收，以及声隐身等功能。然而，常规的人工超材料具有如体积过大，制作成本昂贵、频带宽较窄、声损耗较大等缺点。因此，一种声学超材料经过轻薄化设计后的产物——声学超表面应运而生，声学超表面是由一系列亚波长尺寸的微结构在平面上排列组成，通过这些微结构可以改变声波的幅值和相位，进而对声波实现调控。使得声学超表面具有很多优点，如轻薄化、设计简单、应用较广等。
目前较为常见的声学超表面结构包括：(1)卷曲空间结构。该结构内部有卷曲通道，增大了声波在结构中的传播路径。(侯明明,吴九汇.迷宫型声学超表面可调参数及其全相位调节[J].西安交通大学学报,2018,52(05):29-37.)(2)耦合共振型单元结构。该结构通过单元间的耦合共振，实现高透射率。(田野.透射型超表面对声波的调控及应用研究[D].南京大学,2018.)(3)赫尔姆霍尔茨谐振器单元结构。该结构由具有不同几何参数的赫尔姆霍尔茨谐振器单元组成。(Kemeng Gong,Xiaofan Wang,Huajiang Ouyang,JiliangMo.Tuneable gradient Helmholtz-resonator-based acoustic metasurface foracoustic focusing[J].Journal of Physics D:AppliedPhysics,2019,52(38):)(4)五模材料单元结构。该结构可同时调整每个单元的模块参数和密度，从而实现了异常折射等现象。(Yangyang Chu,Zhaohong Wang,Zhuo Xu.Broadband high-efficiency controllableasymmetric propagation by pentamode acoustic metasurface[J].Physics LettersA,2020,384(11):)
以上结构均可实现对折射声波的任意调控，但仍有体积较大、结构复杂、制作难度大、单频等缺点。并且，声学超表面自问世以来，多用于空气当中，而对于以水为背景介质的研究极为匮乏。因此，制作一种结构较为轻薄、制作简单、多频率调节的超表面的结构用于水下折射声波的调控，是极其有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单的可调控水下声波折射角的多频率声超表面。
本发明是通过以下技术方案实现的：
它包括均匀介质单元一(1)、均匀介质单元二(2)、均匀介质单元三(3)、均匀介质单元四(4)、均匀介质单元五(5)、均匀介质单元六(6)、均匀介质单元七(7)、均匀介质单元八(8)以及隔板(9)，均匀介质单元一(1)、均匀介质单元二(2)、均匀介质单元三(3)、均匀介质单元四(4)、均匀介质单元五(5)、均匀介质单元六(6)、均匀介质单元七(7)、均匀介质单元八(8)呈周期性排列，每两种介质之间用隔板(9)隔开；
所述均匀介质单元一(1)、均匀介质单元二(2)、均匀介质单元三(3)、均匀介质单元四(4)、均匀介质单元五(5)、均匀介质单元六(6)、均匀介质单元七(7)、均匀介质单元八(8)的尺寸相同，介质宽度均为w，w范围为0.01m至0.04m，介质高度h均为0.15m，均匀介质单元一(1)的阻抗为Z1＝1.5×106Pa·s/m，均匀介质单元二(2)的阻抗为Z2＝1.77×106Pa·s/m，均匀介质单元三(3)的阻抗为Z3＝1.55×106Pa·s/m，均匀介质单元四(4)的阻抗为Z4＝1.13×106Pa·s/m，均匀介质单元五(5)的阻抗为Z5＝1.38×106Pa·s/m，均匀介质单元六(6)的阻抗为Z6＝1.27×106Pa·s/m，均匀介质单元七(7)的阻抗为Z7＝1.08×106Pa·s/m，均匀介质单元八(8)的阻抗为Z8＝1.02×106Pa·s/m。
所述隔板(9)的宽度为p，p的范围为0.00875m至0.01875m，高度h为0.15m，隔板材料选用钢，钢的阻抗为46.8×106Pa·s/m。
所述均匀介质单元一(1)至均匀介质八(8)以及隔板(9)由粘接剂粘合构成一个周期，周期宽度d为8(w+p)，每个周期结构之间再由粘合剂互相粘合形成声学超表面，所述声学超表面结构至少包含2个周期。
所述均匀介质单元以及隔板的横截面形状均为矩形。
声学超表面能够对f＝10000Hz、f＝20000Hz、f＝30000Hz、f＝40000Hz多个频率实现调控。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本装置通过改变均匀介质单元声速来设计超表面，结构简单。
2、调节周期宽度d与波长λ的关系来调节折射的角度，变化参量少。
3、本装置在任意角度入射均可实现异常折射现象。
4、本装置可以实现多频率声波调控，具有频率选择性。
附图说明
图1为摘要附图。
图2为本发明声学超表面的几何示意图。
图3为实施例1时的f＝10000Hz对应的总声压场。
图4为实施例1时的f＝20000Hz对应的总声压场。
图5为实施例1时对应的折射声波的折射方向仿真结果。
图6为实施例2时的f＝10000Hz对应的总声压场。
图7为实施例2时的f＝20000Hz对应的总声压场。
图8为实施例2时对应的折射声波的折射方向仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参阅图1-8所示，本发明的一种可调控水下声波折射角的多频率声超表面，它包括均匀介质单元一(1)、均匀介质单元二(2)、均匀介质单元三(3)、均匀介质单元四(4)、均匀介质单元五(5)、均匀介质单元六(6)、均匀介质单元七(7)、均匀介质单元八(8)以及隔板(9)，均匀介质单元一(1)、均匀介质单元二(2)、均匀介质单元三(3)、均匀介质单元四(4)、均匀介质单元五(5)、均匀介质单元六(6)、均匀介质单元七(7)、均匀介质单元八(8)呈周期性排列，每两种均匀介质单元之间用隔板(9)隔开。
所述均匀介质单元的尺寸相同，均匀介质单元宽度均为w，w范围为0.01m至0.04m，均匀介质单元高度h为0.15m，均匀介质单元一(1)的阻抗为Z1＝1.5×106Pa·s/m，均匀介质单元二(2)的阻抗为Z2＝1.77×106Pa·s/m，均匀介质单元三(3)的阻抗为Z3＝1.55×106Pa·s/m，均匀介质单元四(4)的阻抗为Z4＝1.13×106Pa·s/m，均匀介质单元五(5)的阻抗为Z5＝1.38×106Pa·s/m，，均匀介质单元六(6)的阻抗为Z6＝1.27×106Pa·s/m，均匀介质单元七(7)的阻抗为Z7＝1.08×106Pa·s/m，均匀介质单元八(8)的阻抗为Z8＝1.02×106Pa·s/m。
所述隔板(9)的宽度为p，p的范围为0.00875m至0.01875m，高度h为0.15m，隔板材料选用钢，钢的阻抗为46.8×106Pa·s/m。
所述均匀介质单元一(1)、均匀介质单元二(2)、均匀介质单元三(3)、均匀介质单元四(4)、均匀介质单元五(5)、均匀介质单元六(6)、均匀介质单元七(7)、均匀介质单元八(8)以及隔板(9)由粘接剂粘合构成一个周期，周期宽度d为8(w+p)，每个周期之间再由粘合剂互相粘合组成声学超表面，所述声学超表面至少包含2个周期。
所述均匀介质单元一(1)、均匀介质单元二(2)、均匀介质单元三(3)、均匀介质单元四(4)、均匀介质单元五(5)、均匀介质单元六(6)、均匀介质单元七(7)、均匀介质单元八(8)以及隔板(9)的横截面形状均为矩形。
所述声学超表面能够对f＝10000Hz、f＝20000Hz、f＝30000Hz、f＝40000Hz多个频率实现调控。通过广义斯奈尔定律可以对超表面产生的折射声波角度进行理论计算，在任意角度入射情况下折射角的理论计算公式为θt＝arcsin(sinθi+λ/d)，λd为声波的波长与周期宽度之比，θi为入射角。当入射角θi＝0°时，折射角的理论计算公式可化为θt＝arcsin(λ/d)。
实施例1：
当声波频率f＝10000Hz，背景介质为水，声波30°入射到声学超表面上，超表面结构参数为w＝0.025m，p＝0.0125m，d＝0.3m时，利用COMSOLMultiphysics软件进行仿真计算。图3为f＝10000Hz时总声压场的结果，图4为f＝20000Hz总声压场结果，声学超表面的左边界位于x＝0处，声波从左边界入射到声学超表面上，从右边界x＝-h出射。图5为折射声波的折射方向仿真结果。如图2和图3所示，可以看出对于30°入射的平面波，折射声波发生了明显的偏移。根据斯奈尔定律，折射角θt与入射角θi相等，理论上的折射角为30°，仿真折射角不等于理论折射角，因此证明了声学超表面发生异常折射现象。根据广义斯奈尔定律公式得出在λ/d＝0.5时理论的折射角度为0°，通过图5得出的折射角度为0°，仿真值与理论值吻合良好，因此，所述超表面可以通过简单的结构实现对水下折射声波角度的多频率调控。
实施例2：
当声波频率f＝10000Hz，背景介质为水，声波30°入射到声学超表面上，，超表面结构参数为w＝0.02m，p＝0.0075m，d＝0.22m时，利用COMSOLMultiphysics软件进行仿真计算。图6为f＝10000Hz时总声压场的结果，图7为f＝20000Hz总声压场结果，图8为折射声波的折射方向仿真结果。如图6和图7所示，可以看出对于30°入射的平面波，折射声波发生了明显的偏移。根据斯奈尔定律，折射角θt与入射角θi相等，理论上的折射角为30°，仿真折射角不等于理论折射角，因此证明了声学超表面发生异常折射现象。根据广义斯奈尔定律公式得出在λ/d＝0.5时理论的折射角度为10.48°，通过图8得出的折射角度为10.48°，仿真值与理论值吻合良好，因此，所述超表面可以通过简单的结构实现对水下折射声波角度的多频率调控。
Claims (5)
1.一种可调控水下声波折射角的多频率声超表面，其特征在于：包括均匀介质单元一(1)到均匀介质单元八(8)以及隔板(9)，均匀介质单元一(1)、均匀介质单元二(2)、均匀介质单元三(3)、均匀介质单元四(4)、均匀介质单元五(5)、均匀介质单元六(6)、均匀介质单元七(7)、均匀介质单元八(8)在水平面上呈周期排列，每两种均匀介质之间用隔板(9)隔开；
所述均匀介质单元一(1)、均匀介质单元二(2)、均匀介质单元三(3)、均匀介质单元四(4)、均匀介质单元五(5)、均匀介质单元六(6)、均匀介质单元七(7)、均匀介质单元八(8)的尺寸相同，介质宽度均为w，w范围为0.01m至0.04m，介质高度h均为0.15m，均匀介质单元一(1)的阻抗为Z1＝1.5×106Pa·s/m，均匀介质单元二(2)的阻抗为Z2＝1.77×106Pa·s/m，均匀介质单元三(3)的阻抗为Z3＝1.55×106Pa·s/m，均匀介质单元四(4)的阻抗为Z4＝1.13×106Pa·s/m，均匀介质单元五(5)的阻抗为Z5＝1.38×106PPa·s/m，均匀介质单元六(6)的阻抗为Z6＝1.27×106Pa·s/m，均匀介质单元七(7)的阻抗为Z7＝1.08×106Pa·s/m，均匀介质单元八(8)的阻抗为Z8＝1.02×106Pa·s/m。
2.根据权利要求1所述的一种可调控水下声波折射角的多频率声超表面，其特征在于：所述隔板(9)的宽度为p，p的范围为0.00875m至0.01875m，高度h为0.15m，隔板材料选用钢，钢的阻抗为46.8×106Pa·s/m。
3.根据权利要求2所述的一种可调控水下声波折射角的多频率声超表面，其特征在于：所述均匀介质单元一(1)至均匀介质单元八(8)以及隔板(9)由粘接剂粘合构成一个周期，周期宽度d为8(w+p)，每个周期结构之间再由粘合剂互相粘合形成声学超表面，所述声学超表面结构至少包含2个周期。
4.根据权利要求1所述的一种可调控水下声波折射角的多频率声超表面，其特征在于：所述均匀介质单元一(1)至均匀介质单元八(8)以及隔板(9)的横截面形状均为矩形。
5.根据权利要求1所述的可调控水下声波折射角的多频率声超表面，其特征在于：声学超表面能够对f＝10000Hz、f＝20000Hz、f＝30000Hz、f＝40000Hz多个频率实现调控。
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