[发明专利]基于阻抗匹配效应的声学超材料及声学器件

说明书

本申请提供一种基于阻抗匹配效应的声学超材料及声学器件。声学超材料包括多个微结构，微结构为平面对称结构；其中，微结构由多组具有声波入射间隙的硬边界材料结构沿一预设轴线排布形成，微结构的对称平面与预设轴线垂直；且多组硬边界材料结构包括至少两类具有不同有效声速的硬边界材料结构。上述基于阻抗匹配效应的声学超材料能够在较宽的工作频率范围内使入射声波宽角度地、几乎无反射地通过硬边界材料，改善了传统硬边界材料的阻抗不匹配问题，拓宽了日常生活中一些常见的硬边界材料在声学工程上的应用范围。

技术领域

本发明涉及声学技术领域，特别是涉及一种基于阻抗匹配效应的声学超材料及声学器件。

背景技术

在声学领域中，阻抗是一个十分重要的课题。声阻抗一般被定义为质量密度和声速的乘积或声压强与质点速度的比值。声阻抗描述了声波透过某个材料时遇到的阻力。当声波从一个材料入射到另一个材料时，如果这两个材料之间存在阻抗差，那么反射波就会不可避免地产生，除了在特定频率下形成Fabry-Pérot共振或是以特定角度(布儒斯特角)入射而实现零反射。

日常生活中，几乎所有的固体材料(例如玻璃、树脂、塑料等)都是声波硬性边界材料(简称为硬边界材料)。当声波从空气入射到硬边界材料上时，由于其声阻抗与空气非常的不匹配，因此都会被显著地反射，造成混响和散射，从而限制了这些固体材料在工程上的应用范围。

发明内容

基于此，有必要针对声波在硬边界材料上反射显著的问题，提供一种改进的声学超材料。

一种基于阻抗匹配效应的声学超材料，用于减弱或消除声波反射，所述声学超材料包括多个微结构，所述微结构为平面对称结构；其中，所述微结构由多组具有声波入射间隙的硬边界材料结构沿一预设轴线排布形成，所述微结构的对称平面与所述预设轴线垂直；且所述多组硬边界材料结构包括至少两类具有不同有效声速的硬边界材料结构。

上述基于阻抗匹配效应的声学超材料能够在较宽的工作频率范围内使入射声波宽角度地、几乎无反射地通过硬边界材料，改善了传统硬边界材料的阻抗不匹配问题，拓宽了日常生活中一些常见的硬边界材料(例如玻璃、树脂、塑料等)在减震降噪、声呐探测等声学工程上的应用范围。

在其中一个实施例中，所述多组硬边界材料结构包括：

两组第一类硬边界材料结构，分别设于所述微结构的两侧；以及，

一组第二类硬边界材料结构，所述第二类硬边界材料结构设于所述两组第一类硬边界材料结构之间，所述第二类硬边界材料结构的有效声速小于所述第一类硬边界材料结构的有效声速。

通过一种简单的对称结构实现微结构的平面对称，同时通过调控第二类硬边界材料结构中的硬边界材料的结构参数，使得第二类硬边界材料结构的有效声速小于第一类硬边界材料结构的有效声速，以满足该对称结构下的声波阻抗匹配理论。

在其中一个实施例中，所述第一类硬边界材料结构由多个第一硬边界材料单元沿所述预设轴线间隔排布形成；所述第二类硬边界材料结构由多个第二硬边界材料单元沿所述预设轴线间隔排布形成。

如此有利于分别对各类硬边界材料结构中的硬边界材料单元进行尺寸或是间隔距离的调整，从而使微结构更好地满足声波阻抗匹配理论。

在其中一个实施例中，所述第一硬边界材料单元的横截面形状为圆形、椭圆形、方形或菱形，所述第二硬边界材料单元的横截面形状为圆形、椭圆形、方形或菱形。

截面形状的多样方便了硬边界材料单元的制备和选取，扩大了材料选取的范围，降低了生产制备成本。

在其中一个实施例中，所述第一硬边界材料单元为具有第一直径的硬边界圆柱；所述第二硬边界材料单元为具有第二直径的硬边界圆柱；其中，所述第一直径小于所述第二直径。