[发明专利]一种协同耦合双层薄板型声学超表面装置

说明书

本发明公开了一种协同耦合双层薄板型声学超表面装置，包括平行设置且相隔一定距离的上层薄板(2)和下层薄板(5)，以及设置在两层薄板之间的空气层(4)；其中，上下两层薄板之间通过一个硬质框架(3)连接为一体，同时该硬质框架(3)起到固定上下两层薄板边界的作用。本发明能够克服传统材料的缺点，实现利用超薄结构高效调节声波的反射、透射和吸收特性。在国防领域可为航天器、大飞机、潜艇等现代装备提供更加卓越声学性能的同时节约大量空间，提升我国在该领域的核心竞争力。此外，在人们生活息息相关的噪声控制领域中也有着极大的应用价值，有望降低环境噪声污染，改善人们的生活质量。

技术领域

本发明属于声学超表面技术领域，具体涉及一种协同耦合双层薄板型声学超表面装置。

背景技术

近20多年来，声学超材料的出现极大地拓展了声学学科的研究领域。通过引入声学共振结构可实现动态负质量密度、负体积模量、零折射率等天然材料不具备的奇特声学参数，为调控声波带来全新的自由度和极大的可能性。合理地设计并实现拥有此类特异声学参数的结构，可突破经典声学的理论限制，构造新功能声学材料并引领声学器件的革新。近五年，一种新型的超薄声人工结构——声学超表面受到了广泛的研究，相比以往提出的声学超材料，它具有超薄、平面特性和可完全操控声波波前等优势。具体来说，声学超表面是一种厚度比操纵波长低数个量级，可以实现声波完美吸收、负折射、反常反射、反常透射、波前相位任意调控等特殊物理现象的亚波长声波波前整形器件，在低频吸声、声学隐身斗篷、声学自准直及声学超透镜等方面具有重要的应用价值。

声学超表面是一种深亚波长波前整形装置，它的设计目标是在小而薄的结构空间中操纵声波，以实现波前幅值和相位的任意调控。特别地，当设计的声学超表面阵列具有完全覆盖2π范围的连续的相角分布时，该结构可以实现传统声学结构不具有的异常声波转向能力。首先是对反射声波传播方向的任意调控能力。2013年，李勇等基于迷宫结构构建了一种二维的超薄声学超表面，在理论和实验上实现了对反射声波的任意调控。该结构单元沿着声波传播方向上的整体厚度只有10mm，远小于其工作波长(190mm)。朱一凡等提出了一种无色散的波前调制方法，设计了一种亚波长由18个具有不同深度凹槽组成的褶皱形表面，可以在宽频范围内实现对反射声波的任意调控。随后，Zhao等通过改变界面处的阻抗也可以调控声波的传播相位，从而实现声波的反常反射。

除了反常反射以外，声学超表面还可以对透射波实现反常折射。利用超表面调控透射波的方法与反射波类似，通过调节透射波的传播相位，实现透射波传播方向的任意控制，同时要求基本单元的透射效率要尽可能的大，这样利用基本单元设计的声学超表面才能保证对透射波高效率的反常调控。目前，已经有不少研究者开始尝试利用声学超表面来实现反常透射功能，Xie等通过螺旋形的迷宫状结构设计了一种声学超表面结构，其整体厚度约为工作波长的一半，可以实现明显的反常折射现象。Tang等利用优化后的迷宫结构设计并制备厚度仅为工作波长的1/6.67的声学超表面结构，实现了对2250Hz透射声波的高效率的反常调控。梅军和吴莹通过改变结构单元的折射率来调节其相位，同样实现了对透射声波的任意调控。

声学超表面理论上可以对声波任意调控，因此基于超表面思想设计的很多结构可以达到对声波奇异调控的目的。例如，由亚波长亥姆霍兹共振器阵列组成的声学超表面可以对反射声波定向控制，利用超表面可以使得声波非对称传播；结合超晶胞周期性和广义反射定律，当入射角超过临界角时，用一种梯度声学超表面能够实现明显的负反射；基于声学超表面概念提出的新型超薄平面的施罗德扩散器可以实现令人满意的声漫反射，在建筑声学及其相关领域具有巨大的应用潜力；利用弹性螺旋阵列设计超表面，沿着轴向拉伸螺旋阵列可以控制带隙，从而用于设计新型声学开关；利用声学超表面相位补偿方法，可以实现声学隐身斗篷，这种斗篷设计简单，损耗小，具有一定的应用前景。