[发明专利]一种宽入射角亚波长水声单向传输器件及传输控制方法

说明书

本发明公开了一种宽入射角亚波长水声单向传输器件及传输控制方法，通过构造声学超材料，在其厚度小于入射声波波长的条件下，实现了宽角度入射声波的非对称传输；所述声学超材料由一维流/固型衍射声栅和级联流/固型超晶格耦合而成，所述级联流/固型超晶格由两种不同材料的流/固超晶格级联组成；所述声学超材料对于44°‑62°的低频入射声波非对称传输效应显著，最高整流比可达10¹²，所述声学超材料非对称透射频带较宽，且在亚波长区域具有波形保全的特点。本发明结构简单，易于制备，有助于促进水声能流操控器件的小型化和集成化的发展，尤其对水下通信和信号传输等领域具有重要应用价值。

技术领域

本发明属于声学超材料领域，尤其涉及一种宽入射角亚波长水声单向传输器件及传输控制方法。

背景技术

声波是实现水下远距离信息传输的能量载体，而通常情况下，声波在介质中的传播是双向的。如果能够实现声波的单向传输，将在水声通信和信号传输等领域产生重要的应用价值。为了实现声波的单向或者非对称传输，人们考虑了打破时间反转对称性或者打破空间反转对称性的人工介质。其中，声子晶体在制造声学单向传输器件中扮演着相当重要的角色。

例如，利用非线性介质的倍频效应以及声子晶体对声波的选择透过性，可以实现声波的非对称传输。其工作机理是：当声波从非线性介质一侧入射时，声波将会发生倍频，声波在频率发生变化后就能通过声子晶体；而当声波从声子晶体一侧入射时，声波的频率没有发生变化，仍然处于声子晶体的禁带中，则很难通过声子晶体。然而，该结构的转换效率很低。

基于声子晶体的传输设备通常具有高前向透射和宽频带的特性。然而，要利用声子晶体实现对低频声波的调控往往需要很大的结构尺寸。为了实现结构的小型化和集成化，人们一直在寻求其它调控机制，例如非线性有源声学超材料和单向超表面。基于一维流/固型声子晶体的低频带隙，研究人员通过将一维流/固型声栅与一维流/固型声子晶体耦合，实现了亚波长声波的单向传输。这一结构存在尺寸小、频带宽、波形保全和整流效率高等许多优点，然而，整流效应仅对特定入射角有效。

众所周知，实际中由换能器发出的声波是具有多个方向的发散波，而目前几乎没有针对多角度入射声波而提出的亚波长结构设计。因此，提出对入射声波角度限制更小的亚波长单向传输设计至关重要。

发明内容

针对现有技术中传统声波单向传输器件存在角范围狭窄、尺寸大等不足，本发明提供了一种宽入射角亚波长水声单向传输器件及传输控制方法，该器件的整流效应适用入射角范围宽、频带宽且整流效率高。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种宽入射角亚波长水声单向传输器件，该器件由一维流/固型声栅和级联流/固型超晶格耦合而成；所述级联流/固型超晶格由流/固超晶格1和流/固超晶格2级联组成；所述一维流/固型声栅中的固体材料为不锈钢、铜或者铝；所述级联流/固型超晶格中的固体材料为环氧树脂和硬橡胶；所述器件的厚度在小于入射声波波长的条件下，可实现液体内宽角度入射声波的单向传输。

优选的，所述器件从左至右(以图1为参考)依次为一维流/固型声栅、流/固超晶格1和流/固超晶格2；其中一维流/固型声栅为1层，级联的流/固超晶格1和流/固超晶格2分别为若干层。

优选的，所述宽角度入射声波的单向传输是在水中实现。

优选的，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大于水的纵波声速。

优选的，所述级联流/固型超晶格中固体材料的密度接近水的密度，固体材料的横波声速小于水的纵波声速。

优选的，所述流/固超晶格1和流/固超晶格2均为3层。

本发明的有益效果是：