CN115116425A - 一种利用二进制编码超构材料实现声能流调控的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用二进制编码超构材料实现声能流调控的方法，所述的二进制编码超构材料的两个编码单元由亚波长5×5非均匀Mie共振单元阵列组成。当平面波垂直入射到编码超构材料的一侧时，其能在保证较高声波传输效率的同时，控制声波在其结构内部的传输路径。本发明利用非均匀Mie共振结构在类偶极子共振模态下对声波的指向性调控特性，使得声波能够在编码超构材料内部沿着指定路径传播，通过排列组合这两组编码单元从而实现多样化声能流调控。

Description

一种利用二进制编码超构材料实现声能流调控的方法

技术领域

本发明涉及利用二进制编码超构材料来构造具有声能流调控功能的声学系统，在超构材料的单元尺寸远小于声波波长的情况下，利用非均匀Mie共振单元的类偶极子特性实现了一种声能流路径可调控的编码系统，进而实现对声波传输路径的多样化调控。

背景技术

任意、高效的声波处理和调控是声学领域一个长期存在的重要问题和强烈的愿望。声学超构材料的出现，包括具有亚波长人工结构的周期性晶体结构，极大地推动了声波操纵技术的发展。基于广义斯涅尔定律，引入了突变相位，可以自由地调控透射和反射声场。除了对相位进行单独调控外，还可以通过引入额外的能量损耗，从而对声波的振幅和相位进行解耦调制，赋予超构材料对声场的完全控制。基于声学超构材料的许多奇异的透射和反射现象已经被揭示，例如反常反射/折射、声全息图、非对称透射等。

21世纪是数字信息的时代，数字化的信息传输方法为通信和电子技术的发展注入了无穷的活力。传统超构材料的连续参数表征方式可归类为“模拟调制”，这导致其很难与数字信息技术兼容且在硬件层面实施难度较大，因此很大程度上限制了其在实际场景中的应用。在此大背景下，作为超构材料的数字版本，编码超构材料的概念被提出。编码超构材料最初是为了高效地调控电磁波的辐射和散射特性，简化超构材料的设计流程而创建的，近几年已经成功地拓展到声学领域，声学编码超构材料已经被迅速提出并受到持续的关注。与需要复杂结构来模拟等效参数连续分布的传统声学超构材料不同，编码超构材料通过与数字电路相似的方式调控声波，创新性地利用二进制或更高进制编码形式来表征超构材料，不同的编码序列代表不同的声学响应，借助离散化的数字编码序列来调控声波。然而，目前绝大多数编码超构材料的编码单元通常是由具有不同尺寸或形状的单元构建而成，单个编码单元的状态(“0”和“1”)不能按需动态在“0”和“1”之间切换。在实际应用场景中，通常需要超构材料的单个编码单元能够动态切换不同的状态。这样不仅可以进一步简化超构材料的设计流程，而且可以实时调整和重新配置编程超构材料的功能，提升相关声学原型器件的利用率，降低设备成本。

发明内容

本发明的目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明利用非均匀Mie共振单元构建一种二进制编码超构材料，本发明利用非均匀Mie共振结构的类偶极子特性，通过左右翻转Mie共振单元来构建编码单元“0”和“1”，编码单元“0”和“1”之间互为左右镜像结构，因而可以实时动态切换。通过动态切换编码超构材料内各个编码单元所对应的编码，可以实时动态配置结构内部声波的传播路径。

本发明采用的技术方案为：一种利用二进制编码超构材料实现声能流调控的方法，包括以下步骤：

S1：先求出所设计的非均匀Mie共振单元的特征频率，其中包括单极子、偶极子等共振模态所对应的频率，重点分析非均匀Mie共振单元在偶极子共振频率处的工作状态。仿真结果表明，在偶极子状态时，非均匀Mie共振单元对声波的传输具有指向性作用，但辐射效率低。基于这一特性，本发明寻求一种在偶极子频率附近的类偶极子频率点，使非均匀Mie共振单元在该频率点处同时兼顾声波的指向性传播与较高的声辐射效率，从而实现声能流调控的功能。

将25个非均匀Mie共振单元排列成一个5×5的阵列。入射波从阵列的左侧射入且频率在偶极子共振频率附近，此时，声波从阵列的正上方出射，实现了声波向上方向上的指向性传播。在本发明中将这一种阵列命名为编码单元“0”。此外，通过左右翻转编码单元“0”中的非均匀Mie共振单元可以得到编码单元“1”。对于编码单元“1”，当声波从左侧入射时，声波从阵列的正下方出射，实现了声波向下方向上的指向性传播。

S2：结合前述得到的两种编码单元“0”和“1”，将它们在x和y方向进行排列，构建二进制编码超构材料。通过改变编码单元的排列组合方式，可以使入射声波在编码超构材料内按照不同路径传播。例如，V形、一字形和三角形等。声波传播过程中的透射效率将与声波所经过的单元数量相关。因而为保证较高的声透射效率，可以选择适量的编码单元。

作为优选，本发明的二进制编码超构材料的工作频率选择为类偶极子频率点1127Hz，即入射声波的频率保持在1127Hz。在这个频率下，从左端垂直入射的声波经过编码单元“0”后可以从该编码单元的正上方向出射，并垂直于正上方向的出射面向外空间辐射且声波辐射效率高。对于编码单元“1”，声波从编码单元的正下方向出射，并垂直于正下方向的出射面向外空间辐射且声波辐射效率高。

作为优选，圆形非均匀Mie共振结构由四个占比不同的扇形部分组成，其中两个部分占整个圆的1/3，另外两个部分占整个圆的2/3。每个扇形部分均由锯齿形通道组成，具有相同的狭缝宽度t＝0.36cm，进气口宽度w＝0.42cm，壁厚d＝0.2cm和卷曲数N＝4。Mie共振结构外圆和内圆的半径分别为R＝3cm和r＝0.58cm。非均匀Mie谐振器的壁由环氧树脂制成。背景媒质为空气，空气的质量密度和速度分别为ρ₀＝1.21kg/m³和c₀＝343m/s。

作为优选，本发明所提到的编码单元是由25个相同的非均匀Mie共振结构组成的5×5阵列，编码单元“0”和编码单元“1”互为左右镜像结构，其内部的非均匀Mie共振结构具有相同的结构和尺寸。

作为优选，本发明设计的编码超构材料内编码单元的排序形式采用2×2阵列，共4个编码单元。每个编码单元内含有25个非均匀Mie共振单元，整个编码超构材料共计需要100个非均匀Mie共振单元。通过排列组合这些编码单元，可以使声波沿着不同传播路径。

有益效果：本发明采用一种由两个编码单元组成的声学编码超构材料来实现对声波传播路径的高效调控。提出的超构材料编码单元由非均匀Mie谐振器阵列组成，具有类似偶极子的声指向性特性，同时又兼顾高辐射效率。基于偶极Mie共振的方向响应特性，本发明通过合理地设计xy平面编码序列分布，实现了对声传播路径的调控。设计并模拟了三种特殊的超构材料编码模式，三种模式分别对应三种不同的声波传播轨迹。通过结合编码超构材料中的类偶极子特性，本文给出的结果在声波传播和波前处理应用中显示出重要价值。该器件结构简单、尺寸小、原理具有普适性，通过编码的方式，在实现声能流调控的同时，显著提高了编码超构材料声能流调控的灵活性。本发明为声学超构材料的设计开辟一条道路，并有望设计出具有令人兴奋的可重构和可编程应用的智能声学设备。

附图说明

图1为单个非均匀Mie共振单元的结构图。

图2a，2b为非均匀Mie共振单元的单极子模态和偶极子模态功能示意图。

图2c，2d为等效单元的单极子模态和偶极子模态功能示意图。

图3a为归一化散射声压振幅与左侧入射波频率的关系。

图3b为图3a左侧插图中上边界上的归一化散射声压振幅分布。

图4a，4b为声波分别从左侧和右侧入射到5×5阵列编码单元“0”中的透射声压分布图。

图4c，4d为声波分别从左侧和右侧入射到5×5阵列编码单元“1”中的透射声压分布图。

图5a，5b，5c分别为实现三角形、一字形、V字形声传播路径所需的编码排列形式。

图5d，5e，5f分别为三角形、一字形、V字形声能流调控模型仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明设计的非均匀Mie共振单元的样品如图1所示，利用该样品构建二进制编码超构材料并将其应用在声能流调控方面。圆形非均匀Mie共振单元由四个占比不同的扇形部分组成，其中两个部分占整个圆的1/3，另外两个部分占整个圆的2/3。每个扇形部分由锯齿形通道组成，具有相同的狭缝宽度t＝0.36cm，进气口宽度w＝0.42cm，壁厚d＝0.2cm，卷曲数N＝4。Mie谐振器外圆和内圆的半径分别为R＝3cm和r＝0.58cm。非均匀Mie谐振器(灰色)的壁由环氧树脂制成。背景媒质(白色)为空气，空气的质量密度和速度分别为ρ₀＝1.21kg/m³和c₀＝343m/s。

当Mie共振单元工作在单极子模式时，声波在结构内部向各个方向辐射。然而，当Mie共振单元在偶极模式下工作时，声场呈现出双向指向模式。声能流主要集中在锯齿形通道的扇形内部，进出口朝向右上角和左下角，辐射到外部自由空间的声能非常有限。我们希望所提出的非均匀Mie共振单元同时具有显著的方向响应特性和高辐射效率特性。尽管上述偶极Mie共振以双向模式辐射声波，但辐射到外部自由空间的声能量非常有限。在偶极Mie共振的定向辐射行为和非均匀Mie共振单元阵列的辐射效率之间进行了权衡。经理论计算表明，适当偏离偶极子频率有助于Mie共振单元产生更多辐射到自由空间的声能量，从而获得更高质量的指向性特性。

为了验证发明的有效性和可行性，首先使用COMSOLMultiphysics数值仿真软件计算所设计的单个非均匀Mie共振单元的本征模和本征频率。如图2a和2b所示，非均匀Mie共振单元放置在方形晶格中进行模拟，其中正方形晶格的上、下、左、右边界施加周期边界条件。得到单极子和偶极子共振频率的数值结果分别为823.84Hz和1181.9Hz。

由于非均匀Mie共振单元的尺寸是在亚波长尺度上设计的，因此可以将非均匀Mie共振单元等效为具有相同外形的等效介质，并且可以通过等效介质理论验证非均匀Mie共振单元的单极子和偶极子模式(图2a和2b)。非均匀Mie共振单元可以等效成图2c和2d所示的等效介质，它由一个穿孔刚性圆柱体组成，连接四个具有高折射率的超低介质直通道。通道的宽度和方向与非均匀Mie共振单元开口一致。四个超低介质直通道的等效折射率可定义为：

其中L_p是每个扇形部分之字形通道中的声传播路径长度，计算如下：

由上式可知，声波在通道内的传播路径与折叠数N和扇形部分在圆中的占比A有关。因此，非均匀Mie共振单元的四个扇形部分中的锯齿形通道的折射率不同，这意味着这四个超低介质直通道中的等效折射率不同。在图2c和2d的等效介质中，左下直通道和右上直通道的等效折射率均为n_r1≈5.2，左上直通道和右下直通道的等效折射率均为n_r4≈2.48，利用等效介质法得到的单极子模式和偶极子模式的本征频率分别为846Hz和1055Hz，相应的声压场分布分别如图2c和2d所示。在单极子模式下，声波在等效介质内声波通过四个直通道均匀地辐射。在偶极子模式下，声音沿着右上角和左下角的直通道向外空间辐射。因此，等效介质的结果与具体结构模型的结果基本一致。

本发明利用非均匀Mie共振单元的类偶极子特性来进行声能流调控。二进制编码超构材料的编码单元由5×5非均匀Mie共振单元阵列构造而成，编码单元“0”和“1”互为左右镜像结构，可以相互转换。对于编码单元“0”，入射波从阵列的左侧射入，在类偶极子频率处，声波从阵列的正上方出射。对于编码单元“1”，入射波从阵列的左侧射入，在类偶极子频率处，声波从阵列的正下方出射。

结合前述得到的编码单元，将其并联组成超构材料，通过改变编码超构材料内编码单元的排列组合方式，可以使声波按不同的路径传播。例如，V形、一字形和三角形等等。透射的效率将与声波经过的单元数量有关。所以，为保证高效率的透射，可以选择适量数量的编码单元和基本单元。

在此基础上，进一步对利用非均匀Mie共振结构构造的编码单元“0”和“1”的声波调控作用进行模拟分析。使用了COMSOLMultiphysics中的热粘性声学模块和声-结构耦合模块，并选择环氧树脂作为Mie共振单元的壁材料，环氧树脂的泊松比、杨氏模量和质量密度分别为0.35，5.08GPa和1050kg/m³。归一化散射声压振幅随左侧入射波频率变化关系如图3a所示，声波振幅在近偶极子频率1133Hz处达到峰值，约为0.62。在该频率处，非均匀Mie共振单元阵列的散射声压场如图3a中的右插图所示。设计的非均匀Mie共振单元阵列可以有效地将声波辐射到阵列上方的自由空间中，并沿稍微偏离y轴的方向传播。然而，如图3a中的左插图所示，如果频率选择为1127Hz，散射声压振幅会略微降低(≈0.55)，但此时声波沿+y方向辐射并传播。基于此，本发明选择1127Hz的类偶极子频率作为工作频率，该频率下相应的声透射系数约为0.55。图3b为1127Hz类偶极子频率情况下上边界上(图3a左侧插图)的散射声压振幅分布，该分布与入射平面波的振幅归一化。结果表明，峰值出现在测量线的中间位置附近，与预测结果吻合较好。

图4a-4d为在1127Hz的类偶极子频率下，由左入射波和右入射波诱导的编码单元“0”和“1”的模拟散射声压场。如图4a所示，对于编码单元“0”，当平面波从左侧入射并沿+x方向传播时，透射波(白色箭头)沿+y方向传播，同时，沿-x方向存在反射波(黑色箭头)。入射波通过编码单元后几乎不会发生任何相移，输出波仍然是近似平面波，与原始入射波一致。对于图4b中所示的同一编码单元“0”，观察到当入射从相反方向发射时，透射波沿着-y方向传播。提出的非均匀Mie谐振器可以通过水平和垂直反转获得相同的结构。因此，根据这种情况，我们通过水平左右反转编码单元“0”中的Mie谐振器来呈现编码单元“1”，如图4c和图4d所示。图4c和4d清楚地表明，对于这两种情况，编码单元“1”表现出向上(+y)和向下(-y)的透射波，这与预测非常一致。

将图4a-4d中的编码单元“0”和“1”在x和y方向紧凑排列成2×2阵列用于构建二进制编码超构材料。在设计过程中，超构材料中编码单元的空间分布是根据所设计的声传播路径确定。本发明构造了三种声学编码超构材料(模式A、B和C)，以实现所需的声传播路径，如“三角形”、“1”和“V”。如图5a-5c所示，当具有类偶极子的共振频率(1127Hz)的声平面波分别入射到模式为A、B和C的编码超构材料左上角的编码单元后，声波沿着每个编码单元中的灰色箭头传播并向外空间辐射，从而分别在模式A、B和C中呈现“三角形”、“1”和“V”的声传播轨迹。为了验证设计方法的正确性，进行了全波模拟，图5d-5f分别显示了具有这三种模式的编码超构材料的声压场分布。从中可以观察到，模式A、B和C中的声波分别沿“三角形”、“1”和“V”的轨迹传播，这与图5a-5c预测的轨迹一致。根据测量，传播轨迹为“三角形”、“1”和“V”的二进制编码超构材料的声传输系数分别约为0.35、0.35和0.25。此外，还可以通过在xy平面中引入编码单元“0”和“1”的适当分布来设计其他传输轨迹。上述所得到的结论证实，本发明设计的编码超构材料可以动态调节声能流的传播轨迹，这对于二维空间中任意轨迹的粒子操纵具有潜在的实用价值。

本发明提出了利用非均匀Mie共振单元类偶极子模态实现对声能流的调控作用，从而达到对声传播路径的调控效果。由于本设计编码单元的简便性，可以灵活地达到不同的声能流调控效果，不仅限于本设计所提出“三角形”、“1”和“V”的轨迹传播。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用二进制编码超构材料实现声能流调控的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：先求出所设计的非均匀Mie共振单元的特征频率，其中包括单极子、偶极子共振模态所对应的频率，重点分析非均匀Mie共振单元在偶极子共振频率处的工作状态；

将25个非均匀Mie共振单元排列成一个5×5的阵列；入射波从阵列的左侧射入且频率在偶极子共振频率附近，此时，声波从阵列的正上方出射，实现了声波向上方向上的指向性传播；将这一种阵列命名为编码单元“0”；通过左右翻转编码单元“0”中的非均匀Mie共振单元得到编码单元“1”；对于编码单元“1”，当声波从左侧入射时，声波从阵列的正下方出射，实现了声波向下方向上的指向性传播；

S2：结合前述得到的两种编码单元“0”和“1”，将它们在x和y方向进行排列，构建二进制编码超构材料；通过改变编码单元的排列组合方式，使入射声波在编码超构材料内按照不同路径传播；声波传播过程中的透射效率将与声波所经过的单元数量相关。

2.根据权利要求1所述的一种利用二进制编码超构材料实现声能流调控的方法，其特征在于：所述二进制编码超构材料的工作频率选择为类偶极子频率点1127Hz，即入射声波的频率保持在1127Hz；在这个频率下，从左端垂直入射的声波经过编码单元“0”后从该编码单元的正上方向出射，并垂直于正上方向的出射面向外空间辐射且声波辐射效率高；对于编码单元“1”，声波从编码单元的正下方向出射，并垂直于正下方向的出射面向外空间辐射且声波辐射效率高。

3.根据权利要求1所述的一种利用二进制编码超构材料实现声能流调控的方法，其特征在于：圆形非均匀Mie共振单元由四个占比不同的扇形部分组成，其中两个部分占整个圆的1/3，另外两个部分占整个圆的2/3；每个扇形由锯齿形通道组成，锯齿形通道具有相同的狭缝宽度t＝0.36cm，进气口宽度w＝0.42cm，壁厚d＝0.2cm和卷曲数N＝4；非均匀Mie共振结构外圆和内圆的半径分别为R＝3cm和r＝0.58cm；非均匀Mie共振结构的壁由环氧树脂制成；背景介质为空气，空气的质量密度和速度分别为ρ₀＝1.21kg/m³和c₀＝343m/s。

4.根据权利要求3所述的一种利用二进制编码超构材料实现声能流调控的方法，其特征在于：所述编码单元是由25个相同的非均匀Mie共振结构组成的5×5阵列，编码单元“0”和编码单元“1”互为左右镜像结构，其内部的非均匀Mie共振结构具有相同的结构和尺寸。

5.根据权利要求4所述的一种利用二进制编码超构材料实现声能流调控的方法，其特征在于：所述二进制编码超构材料内编码单元的排序形式采用2×2阵列，共4个编码单元；每个编码单元内含有25个非均匀Mie共振单元，整个编码超构材料共计需要100个非均匀Mie共振单元；通过排列组合这些编码单元，使声波沿着不同传播路径。

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