[发明专利]利用声超构材料实现低频声波自准直异常透射的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及利用声学超构材料，在辐射器尺度远小于声波波长的情况下，实现低频声波的自准直异常透射，即获得具有极高空间指向性的透射声束的方法。

二、背景技术

由于衍射效应的存在，声束在传播过程中会不断发散，对于低频声波尤为如此，然而这种全指向性传输方式并不适用于所有场合。实际应用中，实现具有特定指向性的辐射图样，不仅在于能够节省传输的能量，同时也有利于传输信号的保密性。研究与实现非衍射波束、低衍射波束或者高指向性波束，是一个非常重要而且有意义的课题，并且得到了广泛的关注。如著名的艾瑞波束，艾瑞声波在传输中能抑制衍射效应，是一种重要的非衍射声束。但是，产生这样的波束，对于辐射器的阵列设计要求非常高，而且，理论上，此波束的传播距离较近，难以满足长距离传输要求。在不同领域中，为了获得较好的定向传输特性，学者们研究了许多不同的方法。在光学中，通过在金属表面刻蚀特定结构，当满足一定条件时，可在金属表面激发出等离激元，并经由它的介入从而实现具有超强指向性的异常透射光波。为了在声学中实现超指向性波束，较为常见的方法是利用声波的非线性效应，进行声参量发射阵的设计，来得到差频波的低频超指向性传输特性。不过这种方法所产生的差频波的效率非常低，是以损失巨大能量的代价来换取低频声波的指向性传输。近年来的另一研究热点是通过设计声子晶体来实现声波的自准直传输，但这些设计都是以复杂的设计结构作为代价的，这类设计的方法其辐射器的尺度，都是和波长在相同数量级，难以实现辐射器的小型化或微型化。同时随着频率的降低，其指向性也将变得越来越差。

三、发明内容

本发明的目的：利用声学超构材料，在辐射器尺度远小于声波波长的情况下，实现低频声波的自准直异常透射，即获得具有极高空间指向性的透射声束。

本发明的技术方案：利用声超构材料实现低频声波自准直异常透射的方法，所述声超构材料为级联的二维亥姆赫兹共鸣器和叠加在其上的矩形声栅，采用两块级联多个亥姆赫兹共鸣器和矩形声栅的钢板，两块级联多个亥姆赫兹共鸣器钢板中间设有细缝；细缝的宽度为2±0.5毫米；两块级联多个亥姆赫兹共鸣器的钢板的总长度为20厘米以上。

进一步的，级联多个亥姆赫兹共鸣器钢板的厚度为25±1毫米；每个亥姆赫兹共鸣器的周期长度为6±0.5毫米，其颈部的长度和宽度均为1±0.04毫米，亥姆赫兹共鸣器腔体的长度与宽度分别为6±0.04毫米和5±0.04毫米；矩形声栅的周期长度为27毫米，其长度和宽度分别为3±0.04和2±0.04毫米。此结构适用的声波工作频率点为5.764kHz。

需要说明的是，调整每个亥姆赫兹共鸣器和矩形声栅结构参数，可以改变声波工作频率点。

通过在钢板表面刻蚀多个级联的亥姆霍兹共鸣器，可以激发出较强的声表面波，其色散曲线非常类似于光学中的表面等离激元。而矩形声栅的介入，则可加入额外的动量，当取值满足一定条件时，将可形成具有较大波矢的集聚性声表面波。

在光学中，当满足一定条件时，经由表面等离激元的介入将可得到超强指向性的异常透射光束。与此类似，一旦形成集聚性声表面波，在其作用下将获得具有超高空间指向性的透射声波，即自准直异常透射声束。

图1为实现自准直异常透射的声超构器件样品结构的俯视图。

光学中，表面等离激元SPP是由于金属表面存在的自由电子在其平衡位置附近的振动才产生并传输的。在其作用下，可从亚波长狭缝中获得具有超高指向性的异常透射光束。表面等离激元能被激发除了要满足波矢匹配条件外，还必须满足存在自由电子和振动回复力这两大前提条件。

在本发明的声学方案中，将亥姆霍兹共鸣器颈部的一小段空气柱看作可在自身平衡位置附近振动的活塞，而亥姆霍兹共鸣器的腔体内的空气负责提供振动所需回复力,此时激发形成的集聚性声表面波具有类似于光学中等离激元的色散曲线，在其作用下，我们可从亚波长尺度的狭缝中产生具有超强指向性的透射声场。利用级联亥姆霍兹共鸣器产生声表面波，同时通过矩形声栅提供额外动量，使得满足波矢匹配条件激发出集聚性声表面波并最终获得自准直异常透射声束，是本发明的基本原理。

根据传统波动理论，由于衍射效应的存在，普通透射声束并无明确的空间指向性，而一些具有很强指向性的辐射图样如偶极子，其准直效果维持的传输距离较短，通常与对应的声波波长在同一数量级内。在本发明中，我们利用集聚性声表面波来产生自准直声束，其在很远的传输范围(可以达到相应低频声波波长的20倍以上)内均能极大地抑制衍射效应，且几乎无旁瓣存在，因而具有很好的实用化前景。