[发明专利]一种实现液体内声波重定向传播的亚波长结构

说明书

技术领域

本发明涉及声学超材料领域，尤其是一种实现液体内声波重定向传播的亚波长结构。

背景技术

声波是水下能够实现远距离信息传输的唯一能量载体，水下声波传播方向的调控在水下目标探测、信息传递、水声安全等领域具有重要的学术意义和应用前景。实现水下低频声波波向调控的有效方法是利用换能器阵列技术控制每个阵元产生声波的相位与幅度，实现声波的波束偏转和聚焦等声学效应。然而，换能器阵列技术需要额外的外部电路及复杂的信号处理技术支持，具有有源、高功耗等特征；此外，为了实现低频声能流的波向调控，多阵元结构的整体尺寸往往显得较为庞大和臃肿，缺乏便利性。

近年来，一种称之为“声超常表面”的声学超材料基于广义斯涅耳定律，利用巧妙设计的相位梯度实现传播方向的改变。此类声学超表面结构具有亚波长、无源、低功耗等特征。不过，声学超表面主要针对空气中声波传播方向进行重定向，尚无法在水环境中对水下声波进行有效调控。

发明内容

本发明的目的是采用声学超材料，在调控结构厚度远小于入射声波波长的条件下，实现液体内声波传播方向的重定向调控。

本发明是通过以下技术方案得以实现的：

一种实现液体内声波重定向传播的亚波长结构，该亚波长结构由一维流/固型声栅和一维流/固型声子晶体耦合而成；所述一维流/固型声栅中的固体材料为不锈钢、铜或者铝；所述一维流/固型声子晶体中的固体材料为有机玻璃、环氧树脂、聚氯乙烯或者硬橡胶；所述亚波长结构的厚度在小于入射声波波长的条件下，可实现液体内入射声波传播方向的重新定向。

进一步的，所述亚波长结构从上至下依次为一维流/固型声栅和一维流/固型声子晶体；其中一维流/固型声栅为一层，一维流/固型声子晶体为数层。

进一步的，所述液体为水。

进一步的，所述一维流/固型声栅中的固体材料的密度大于水的密度，固体材料的横波声速高于水的纵波声速。

进一步的，所述一维流/固型声子晶体中的固体材料的固体密度不大于水的密度；固体横波声速低于水的纵波声速。

进一步的，所述一维流/固型声子晶体为1～4层。

进一步的，所述一维流/固型声子晶体为4层。

本发明的有益效果是：

(1)亚波长结构尺寸小于入射波长，重定向效果明显：对于特定入射频率范围的入射平面声波，可以构造小于入射声波最大波长的亚波长结构，可以使得入射声波在声子晶体一侧形成重定向单一波束。采用有限元方法数值模拟声波的重定向性能，证明本发明所提出的亚波长结构可以对较宽频率范围内的入射声波实施重定向，结构最薄可达λ/10(λ为入射波波长)，并且重定向波束透射能量为入射声波能量的50％。本发明结构虽简单，但对于低频入射平面声波的重定向性能显著，有助于突破水下声波调控结构存在的“波长-尺寸”限制，并促进水声能流操控器件或设备的小型化发展。

(2)适用于水下声波波束重定向调控：本发明利用声栅的低阶衍射效应和声子晶体的零点传输低频声禁带效应实现亚波长结构的水下声波传播方向重定向，不同于空气中声波重定向所采用的广义斯涅耳定律，因而可以适用于水下声波传播方向重定向调控。本发明所述的一种实现水下声波重定向传播的亚波长结构，能够用在水下目标探测器、水声通信发射器及相关水声能流控制器件。

附图说明

图1为本发明所述的实现液体内声波重定向传播的亚波长结构的三维示意图；

图2为声波重定向结构的z-y平面的二维示意图；

图3为频率分别为(a)30kHz、(b)40kHz、(c)50kHz m、(d)60kHz时，平面波以46°入射到亚波长结构时产生的声场分布；

图4为亚波长结构实现声波重定向原理图；

图5为声栅常数分别为(a)A＝0.0256m、(b)A＝0.0213m、(c)A＝0.0183m、(d)A＝0.0160m 时，频率为65kHz的平面波以41°入射到亚波长结构时产生的声场分布；

图6声子晶体周期数分别为(a)N＝4、(b)N＝3、(c)N＝2、(d)N＝1时，频率为65kHz的平面波以41°入射到亚波长结构时产生的声场分布。

附图标记如下：

1-声栅中的固体材料；2-声子晶体中的固体材料。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明方案作进一步说明，但本发明的保护内容并不局限于此。