CN113836657B - 一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水声技术领域,具体涉及一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法。基于声表面阻抗边界条件,采用拓扑优化方式设计实现理论声表面阻抗的水声超表面单元,并在拓扑优化框架中引入水声超表面单元振动耦合的限制,非常有效地降低了超表面固体振动的耦合,保证水下声学超表面设计的有效性,从而实现水下反射声场的调控。本发明提供的设计方式,无需人工参与,可以实现按需定制,水声超表面单元的可替换性强,设计的水下声学超表面调控方式灵活,为水下声学超表面的设计提供新的方案,可促进水声超表面在各种精细和复杂的水下声场控制中的实际应用,在海底资源勘探、声学粒子操纵、医学全息成像等工程领域具有重要的应用价值。

Description

一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法
技术领域
本发明属于水声技术领域,具体涉及一种实现水声精准调控的反射型水声超表面逆向独立设计方法。
背景技术
针对于反射型水声超表面,目前的设计方式主要分为两种:
第一种:基于广义斯涅尔定理的独立设计。通过独立设计每个超表面单元,将具有不同反射相位的超表面单元组装在一起,根据水声超表面上的相位梯度实现水下声波的调控。缺点是对一些极端复杂的声场,如具有大角度偏转角的异常反射等并不能呈现出完美的调控性能。
第二种:基于格栅衍射理论的协同设计。需要挑选出一个周期性的超胞,通过抑制不想要的衍射分量来实现水声调控。缺点是目前主要用于周期性的水下声场调控,对于实现非周期性的水下声场,如聚焦等具有比较大的挑战性。此外,由于需要一组超表面单元的协同设计,通常调控不够灵活。
另外,在水声环境中,水与固体之间的流固耦合作用会引起水声超表面固体结构的振动,导致水声超表面单元的振动相互耦合,扰乱原先独立设计的水下超表面单元的声学调控参数,给水声超表面的独立设计的带来巨大的挑战。因此,如何通过独立设计反射型水声超表面实现各种复杂水下声场的精细调控是非常必要的,而目前所提出的水下声学超表面的独立设计方法是相当匮乏的。
发明内容
本发明的目的在于:针对现有技术的不足,而提供一种实现水声精准调控的反射型水声超表面逆向独立设计方法。本发明提供的设计方法基于声表面阻抗边界条件,采用拓扑优化方式逆向独立设计实现理论声表面阻抗的超表面单元,并在拓扑优化框架中引入水声超表面单元振动耦合的限制来保证水下声学超表面逆向独立设计的有效性,从而实现水下反射声场的精细调控。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法,该方法的步骤包括:
(1)确定水下入射声压场pi(x,z)和所期望实现的反射声压场pr(x,z)。
(2)确定反射界面处的声表面阻抗边界条件Zs(x,0);
所述的声表面阻抗边界条件Zs(x,0)根据步骤(1)中确定的水下入射声压场和所期望实现的反射声压场通过如下公式得出:
其中ns=ez,ez表示反射界面的法向量;pi(x,z)和pr(x,z)分别表示给定的入射声压场和期望实现的反射声压场;vi(x,z)表示入射速度场,vr(x,z)表示反射速度场,j为虚数,其中Zw=ρwcw是水的特征声阻抗,ρw和cw分别表示水的密度和声速,k表示传播的波数。x表示水平方向的物理坐标,z表示竖直方向的物理坐标;
(3)将水声超表面离散成多个宽度相同或是宽度不同的超表面单元,根据每个超表面单元上表面的中心位置对应的坐标x,确定每个水声超表面单元对应步骤(2)中所确定的反射界面处的声表面阻抗边界条件Zs(x,0)的声表面阻抗值;
(4)根据确定的每个超表面单元的声表面阻抗值,在超表面单元的振动耦合限制和水下静水压变形的约束下,初步获得与理论要求接近的声表面阻抗的一组超表面单元,初步获得的与理论要求接近的声表面阻抗的超表面单元的结构形式为ΩD1,ΩD1的振动耦合传输系数TLD1)<0,ΩD1的静水压下的最大静变形系数DFD1)<2%,ΩD1的与理论阻抗相关的适应度函数O1D1)为:
其中,φtar和Γtar表示理论要求的表面阻抗所对应的反射相位与幅值;和/>表示超表面单元的结构形式为ΩD1时实际提供的表面阻抗所对应的反射相位与幅值;Sφ,SΓ表示权重系数。
(5)获得与理论要求的声表面阻抗接近同时振动耦合最小的超表面单元,超表面单元的结构形式为ΩD2,ΩD2的静水压下的最大静变形系数DFD2)<2%,ΩD2的与理论阻抗和振动耦合相关的适应度函数O2D2)为:
和/>表示超表面单元的结构形式为ΩD2时实际提供的表面阻抗所对应的反射相位与幅值;/>表示超表面单元的结构形式为ΩD2时具有的振动耦合传输系数,ST表示权重系数;
所获得的结构形式为ΩD2的超表面单元即为每个水声超表面单元的结构。
与现有技术相比,本申请的有益效果是:
本发明提供一种实现水声精准调控的反射型水声超表面逆向独立设计方法,基于声表面阻抗边界条件,设计的水下声学超表面能够很好地将入射声场完美地转化为期望的反射场;采用拓扑优化方式进行超表面单元的逆向独立设计,无需费力的人工参与,可以实现按需定制,超表面单元的可替换性强,设计的水下声学超表面调控方式灵活;进一步并在拓扑优化框架中引入水声超表面单元间振动耦合的限制,非常有效地降低了超表面固体振动的耦合,为水下声学超表面的独立设计提供新的方案。本发明提供的逆向独立设计方法将促进水声超表面在各种精细和复杂的水下声场控制中的实际应用,在海底资源勘探、声学粒子操纵、医学全息成像等工程领域具有重要的应用价值。
(2)本发明的方法基于声表面阻抗边界条件,采用拓扑优化方式逆向独立设计实现理论声表面阻抗的超表面单元,并在拓扑优化框架中引入水声超表面单元振动耦合的限制来保证水下声学超表面逆向独立设计的有效性,从而实现水下反射声场的精细调控。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明提供的一种实现水声精准调控的反射型水声超表面逆向独立设计方法的流程示意图;
图2为本发明用于限制水声超表面单元固体振动时计算振动耦合传输系数的原理示意图;
图3为本发明实施例中实现水下反射声波大角度异常偏转时理论要求的和优化设计超表面单元提供的声表面阻抗分布;
图4为本发明实施例中实现水下反射声波大角度异常偏转时逆向优化设计的60个水声超表面单元结构;
图5为本发明实施例中逆向独立设计的反射型水声超表面实现水下反射声波大角度异常偏转的调控效果图;
图6为本发明实施例中实现水下反射单点声聚焦时理论要求的和优化设计超表面单元提供的声表面阻抗分布;
图7为本发明实施例中实现水下反射单点声聚焦时逆向优化设计的30个水声超表面单元结构;
图8为本发明实施例中逆向独立设计的反射型水声超表面实现水下反射单点声聚焦的调控效果图;
具体实施方式
如图1所示,为本发明提供的反射型水声超表面逆向独立设计方法的流程示意图,可以按照以下几步执行反射型水声超表面的设计。
(1)确定水下入射声压场pi(x,z)和所期望实现的反射声压场pr(x,z)。
(2)确定反射界面处的声表面阻抗边界条件Zs(x,0);
所述的声表面阻抗边界条件Zs(x,0)根据步骤(1)中确定的水下入射声压场和所期望实现的反射声压场通过如下公式得出:
其中ns=ez,ez表示反射界面的法向量;pi(x,z)和pr(x,z)分别表示给定的入射声压场和期望实现的反射声压场;vi(x,z)表示入射速度场,vr(x,z)表示反射速度场,j为虚数,其中Zw=ρwcw是水的特征声阻抗,ρw和cw分别表示水的密度和声速,k表示传播的波数。x表示水平方向的物理坐标,z表示竖直方向的物理坐标;
(3)将水声超表面离散成多个宽度相同或是宽度不同的超表面单元,根据每个超表面单元上表面的中心位置对应的坐标x,确定每个水声超表面单元对应步骤(2)中所确定的反射界面处的声表面阻抗边界条件Zs(x,0)的声表面阻抗值;
(4)根据确定的每个超表面单元的声表面阻抗值,在超表面单元的振动耦合限制和水下静水压变形的约束下,初步获得与理论要求接近的声表面阻抗的一组超表面单元,初步获得的与理论要求接近的声表面阻抗的超表面单元的结构形式为ΩD1,ΩD1的振动耦合传输系数TLD1)<0,ΩD1的静水压下的最大静变形系数DFD1)<2%,ΩD1的与理论阻抗相关的适应度函数O1D1)为:
其中,φtar和Γtar表示理论要求的表面阻抗所对应的反射相位与幅值;和/>表示超表面单元的结构形式为ΩD1时实际提供的表面阻抗所对应的反射相位与幅值;Sφ,SΓ表示权重系数。
(5)获得与理论要求的声表面阻抗接近同时振动耦合最小的超表面单元,超表面单元的结构形式为ΩD2,ΩD2的静水压下的最大静变形系数DFD2)<2%,ΩD2的与理论阻抗和振动耦合相关的适应度函数O2D2)为:
和/>表示超表面单元的结构形式为ΩD2时实际提供的表面阻抗所对应的反射相位与幅值;/>表示超表面单元的结构形式为ΩD2时具有的振动耦合传输系数,ST表示权重系数;
所获得的结构形式为ΩD2的超表面单元即为每个水声超表面单元的结构。
图2为本发明用于限制水声超表面单元固体振动时计算振动耦合传输系数的原理示意图,所述的振动耦合传输系数是通过提取超表面单元表面的法向位移场得到,超表面单元之间振动耦合的限制是通过降低超表面之间的振动耦合传输系数实现。
以下结合附图3-8对本发明作进一步详细说明,但不作为对本发明的限定。
实施例1
在本实施例1中,实现平面波声场入射下的异常声束偏转,其中声表面阻抗边界可以通过步骤(2)中的公式计算为
其中Φ(x)=kxsinθi-kx(coshβsinθr+i sinhβsinθr),θi和θr分别表示入射角和反射角,β表示反射波在垂直于传播方向反射幅值的衰减因子,取值范围为β≥0,其中β=0表示没有衰减;Ar表示反射波与入射波的幅值比,为了保证独立的设计可行性,Ar的取值应保证Zs(x,0)≥0对所有的x恒成立。
在本实施例1中取θi=0°,θr=70°,β=0.1,Ar=0.995,a=λ/20,b=λ/10,d=λ/50,其中λ=2π/k=0.3m是频率为5000Hz时的水下声波波长。
图3为本发明实施例中实现水下反射声波大角度异常偏转时理论要求的和优化设计超表面单元提供的声表面阻抗分布。可以看到通过执行拓扑优化逆向设计程序得到的水声超表面单元提供的声表面阻抗,能够很好地匹配理论所要求的声表面阻抗。
图4为本发明实施例中图3中实现水下反射声波大角度异常偏转时逆向优化设计的60个水声超表面单元结构。通过按照#1到#60的顺序水平排列可以组装成一个包含有60个水声超表面单元的反射型水声超表面。
图5为本发明实施例中逆向独立设计的反射型水声超表面实现水下反射声波大角度异常偏转的调控效果图。可以看到垂直入射的声波在入射到逆向设计的水声超表面之后被偏转到了一个倾斜的方向,这个偏转角接近理论设计的70°,同时也可以看到在垂直于反射波传播的方向,声压的幅值在减小,说明具有垂直于传播方向的法向衰减因子,另外没有任何不想要方向的寄生散射出现,说明水声超表面单元之间的振动耦合被极大的抑制,实现了对水下声波的精准调控,验证了本发明提供的用于水声精准调控反射型水声超表面逆向独立设计方法的有效性。
实施例2
在本实施例2中,实现平面波声场入射下的单点声聚焦,其声表面阻抗边界可以通过步骤(2)中的公式计算为
其中Φ(x)=kxsinθi;Ar和θi与上述定义相同;(xf,zf)表示焦点的位置,分别表示第一类0阶和1阶汉克函数;/>表示超表面上各点到焦点的距离.
在本实施例2中取θi=0°,(xf,zf)=(3λ,0.5λ),Ar=2.2,a=λ/20,b=λ/10,d=λ/50,其中λ=2π/k=0.3m是频率为5000Hz时的水下声波波长。
图6为本发明实施例中实现水下反射声波单点声聚焦时理论要求的和优化设计超表面单元提供的声表面阻抗分布。可以看到通过执行拓扑优化逆向设计程序得到的水声超表面单元提供的声表面阻抗,能够很好地匹配理论所要求的声表面阻抗。
图7为本发明实施例中图6中实现水下反射声波单点声聚焦时逆向优化设计的30个水声超表面单元结构,由于单点聚焦所要求的理论声表面阻抗的对称性,另外30个水声超表面单元可以通过#1到#30的水声超表面单元镜像得到。通过按照#1到#30和#30到#1的顺序水平排列可以组装成一个具有60个水声超表面单元的反射型水声超表面。
图8为本发明实施例中逆向独立设计的反射型水声超表面实现单点声聚焦的调控效果图。可以看到垂直入射的声波被逆向设计的水声超表面反射之后都聚集在一点处,具有非常完美的近场聚焦效果,焦点的位置也接近理论设计的位置,同时也没有其他明显不期望的反射出现,实现了对水下反射声波的精准调控,再次验证了本发明提供的用于水声精准调控反射型水声超表面逆向独立设计方法的有效性。
综上,本发明提供了一种实现水声精准调控的反射型水声超表面逆向独立设计方法,
基于声表面阻抗边界条件,采用拓扑优化方式设计实现理论声表面阻抗的水声超表面单元,并在拓扑优化框架中引入水声超表面单元振动耦合的限制,非常有效地降低了超表面固体振动的耦合,保证水下声学超表面设计的有效性,从而实现水下反射声场的调控。本发明提供的设计方式,无需人工参与,可以实现按需定制,水声超表面单元的可替换性强,设计的水下声学超表面调控方式灵活,为水下声学超表面的设计提供新的方案,可促进水声超表面在各种精细和复杂的水下声场控制中的实际应用,在海底资源勘探、声学粒子操纵、医学全息成像等工程领域具有重要的应用价值。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例,但如前所述,应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述发明构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围,则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法,其特征在于该方法的步骤包括:
(1)确定水下入射声压场pi(x,z)和所期望实现的反射声压场pr(x,z);
(2)确定反射界面处的声表面阻抗边界条件Zs(x,0);
所述的声表面阻抗边界条件Zs(x,0)通过如下公式得出:
其中ns=ez,ez表示反射界面的法向量;pi(x,z)和pr(x,z)分别表示给定的入射声压场和期望实现的反射声压场;vi(x,z)表示入射速度场,vr(x,z)表示反射速度场,j为虚数,其中Zw=ρwcw是水的特征声阻抗,ρw和cw分别表示水的密度和声速,k表示传播的波数,x表示水平方向的物理坐标,z表示竖直方向的物理坐标;
(3)将水声超表面离散成两个以上的超表面单元,确定每个水声超表面单元对应步骤(2)中所确定的反射界面处的声表面阻抗边界条件Zs(x,0)的声表面阻抗值;
(4)根据确定的每个超表面单元的声表面阻抗值,初步获得与理论要求接近的声表面阻抗的一组超表面单元,初步获得的与理论要求接近的声表面阻抗的超表面单元的结构形式为ΩD1,ΩD1的与理论阻抗相关的适应度函数O1D1)为:
其中,φtar和Γtar表示理论要求的表面阻抗所对应的反射相位与幅值;和/>表示超表面单元的结构形式为ΩD1时实际提供的表面阻抗所对应的反射相位与幅值;Sφ,SΓ表示权重系数;
(5)获得与理论要求的声表面阻抗接近同时振动耦合最小的超表面单元,超表面单元的结构形式为ΩD2,ΩD2的与理论阻抗和振动耦合相关的适应度函数O2D2)为:
其中,和/>表示超表面单元的结构形式为ΩD2时实际提供的表面阻抗所对应的反射相位与幅值;/>表示超表面单元的结构形式为ΩD2时具有的振动耦合传输系数,ST表示权重系数。
2.根据权利要求1所述的一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法,其特征在于:
步骤(3)中,将水声超表面离散成宽度相同的超表面单元。
3.根据权利要求1所述的一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法,其特征在于:
步骤(3)中,将水声超表面离散成宽度不同的超表面单元。
4.根据权利要求1所述的一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法,其特征在于:
步骤(3)中,在确定每个水声超表面单元对应步骤(2)中所确定的反射界面处的声表面阻抗边界条件Zs(x,0)的声表面阻抗值时,根据每个超表面单元上表面的中心位置对应的坐标x进行确定。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法,其特征在于:
步骤(4)中,ΩD1的振动耦合传输系数TLD1)<0。
6.根据权利要求5所述的一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法,其特征在于:
步骤(4)中,ΩD1的静水压下的最大静变形系数DFD1)<2%。
7.根据权利要求1-4、6任一所述的一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法,其特征在于:
步骤(5)中,ΩD2的静水压下的最大静变形系数DFD2)<2%。
8.根据权利要求7所述的一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法,其特征在于:
步骤(5)中,所获得的结构形式为ΩD2的超表面单元即为每个水声超表面单元的结构。
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