[发明专利]一种声学超表面及其设计方法和声学装置

说明书

本发明提供了一种声学超表面及其设计方法和声学装置，声学超表面包括背腔结构，所述背腔结构包括底隔声板，及设置于所述底隔声板一侧表面上且围成多个腔体的侧壁隔声板；以及，覆盖于所述侧壁隔声板背离所述底隔声板一侧的多个盖板，所述盖板为穿孔板，且所述盖板与所述腔体一一对应形成单胞。由上述内容可知，本发明提供的声学超表面，根据其预期功能要求来设计确定每个单胞的反射系数及单胞的相位差构成的相位差的空间分布；且进一步根据该相位差的空间分布和反射系数，来确定单胞阵列的排布方式及每个单胞的参数，最终使得声学超表面符合预期功能要求，实现声学超表面对声波相位调制的目的。本发明提供的声学超表面结构简单且成本低。

技术领域

本发明涉及声学技术领域，更为具体地说，涉及一种声学超表面及其设计方法和声学装置。

背景技术

声波是声源产生的振动在空气或其他介质中的传播。作为一种信息和能量的传播方式，其在工程技术领域和生产生活中均具有十分广泛的应用。比如：在医疗领域，通过精确控制超声波的场强分布，将能量聚焦到人体结石部位可以实现超声碎石；在军事领域，水下航行器通过特殊的声学表面可以吸收来自声呐的声波，达到隐身效果。可见，有效地控制声波的幅值、相位、传播方向和路径，以及声场的能量分布是实现一系列工程应用的技术基础。

声学超表面(Acoustic Metasurface)是近年来提出的一种声波调制新方法。该方法主要利用精心设计的微观结构实现反射或透射声波的相位控制，进而实现一系列传统声学表面所不具备的功能，如对平面声波的异常反射、负折射、聚焦、自弯曲等。目前，声学超表面设计中所采用的微观结构主要包括卷曲空间、亥姆霍兹共振腔和共振薄膜三种类型。但是现有的声学超表面结构复杂且加工困难，制备成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种声学超表面及其设计方法和声学装置，有效解决现有技术存在的技术问题，声学超表面结构简单且成本低。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种声学超表面，包括：

背腔结构，所述背腔结构包括底隔声板，及设置于所述底隔声板一侧表面上且围成多个腔体的侧壁隔声板；以及，覆盖于所述侧壁隔声板背离所述底隔声板一侧的多个盖板，所述盖板为穿孔板，且所述盖板与所述腔体一一对应形成单胞，所述单胞的反射系数不小于0.7；

多个所述单胞所形成的单胞阵列的排布方式，及每个所述单胞的参数是根据所述反射系数和相位差的空间分布确定；所述反射系数和所述相位差的空间分布是根据所述声学超表面的预期功能要求确定；其中所述相位差为所述单胞的入射声波和反射声波的相位差，所述单胞的参数至少包括所述盖板的孔隙率和/或所述盖板的板厚。

可选的，所述盖板与所述腔体形成的单胞的宽度不大于λ/3，λ为入射声波的波长。

可选的，所述多个腔体的形状和尺寸均相同。

可选的，所述盖板与所述背腔结构之间可拆卸固定。

可选的，所述盖板的材质为金属材料或非金属材料。

可选的，所述预期功能要求为调控声波的传播路径或声波沿传播路径的能量分布。

相应的，本发明还提供了一种声学超表面的设计方法，用于设计上述的声学超表面，包括：

建立不同参数的单胞的反射系数及其入射声波和反射声波之间的相位差的数据库；

基于待设计的声学超表面的预期功能要求，计算所述待设计的声学超表面的单胞阵列的排布方式，以及所述单胞阵列中每个单胞的相位差构成的相位差的空间分布，并控制单胞的反射系数满足工程要求；

根据计算结果在所述数据库中确定所述单胞阵列中每个单胞的参数，并依照计算得到的所述单胞阵列的排布方式排布得到声学超表面。