[发明专利]一种可调控水下声波反射角的声学超表面有效

专利信息
申请号: 202010475315.7 申请日: 2020-05-29
公开(公告)号: CN111667809B 公开(公告)日: 2022-12-13
发明(设计)人: 胡博;陈聪;李明杰;杜逸眉;时胜国;方尔正;莫世奇;张揽月;时洁;李松 申请(专利权)人: 哈尔滨工程大学
主分类号: G10K11/28 分类号: G10K11/28
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地址: 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区*** 国省代码: 黑龙江;23
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摘要:
搜索关键词: 一种 调控 水下 声波 反射角 声学 表面
【说明书】:

发明提供的是一种可调控水下声波反射角的声学超表面,它包括:均匀介质(1)、均匀介质(2)、均匀介质(3)、均匀介质(4)、隔板(5)以及底板(6),均匀介质(1)、均匀介质(2)、均匀介质(3)、均匀介质(4)呈周期性排列,每两种介质之间用隔板(5)隔开,均匀介质(1)、均匀介质(2)、均匀介质(3)、均匀介质(4)以及隔板(5)的底部附有底板(6)。本发明所提供的声学超表面能够对水下反射声波的反射角进行调控。

技术领域

本发明涉及一种可调控水下声波反射角的声学超表面,属于声学超表面技术领域。

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,声学超表面是由亚波长尺寸的结构单元在一个平面上排列而成的准二维结构。超表面中每个单元对入射波的声学响应(包括幅值、相位)可以独立控制,通过调节超表面单元的声学响应,可形成幅值、相位的重新分布,进而实现对声波的几乎任意的操控,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。

目前最常见的声学超表面结构包括:(1)折叠空间结构(《Nature》(2013年3期))。该结构内部有曲折通道,增加了声波在结构中的传播路径。(2)亥姆霍兹共振腔结构(《Applied Physics》(2015年48期))。该结构由具有不同开孔孔径的亥姆霍兹共振腔组成。这两种结构均可实现对反射波的任意调控功能,但缺点是结构比较复杂,制作难度较大。另外,现有的声学超表面大多以空气为背景介质,对以水为背景介质的声学超表面的研究比较匮乏。因此,采用新的结构设计方案,使得超表面的结构更加简单,实现对水下声波的调控,是非常必要的。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种结构简单的可调控水下声波反射角的声学超表面。

本发明的目的是这样实现的:包括至少2个周期结构,每个周期结构包括底板、设置在底板上的均匀介质一至均匀介质四,相邻的均匀介质之间、均匀介质一的端部均设置有隔板,相邻的周期结构的底板相连,前一周期结构的均匀介质四与下一周期结构的均匀介质一共用一个隔板,最后的周期结构的均匀介质四的端部设置有隔板。

本发明还包括这样一些结构特征:

1.均匀介质一至均匀介质四的尺寸相同,且满足:

其中:为均匀介质产生的相位突变,j为均匀介质序号,j=1,2,3,4,i为虚数单位,h为介质高度,kj为第j个介质中的波数,Z0为水的阻抗,Zj为第j个介质的阻抗。

2.每个周期结构之间由粘合剂互相粘合。

3.所述均匀介质一至均匀介质四、隔板以及底板的横截面形状均为矩形。

4.隔板以及底板的材料为钢。

与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明所提出的声学超表面通过将不同阻抗的均匀材料进行周期性排列,可以调控水下声波的反射角,而且结构简单,变化的参量少,变化规律明显。本发明适用范围广,可根据实际需要改变周期数。

附图说明

图1为本发明声学超表面的几何示意图;

图2为实施例1时的入射波声压场;

图3为实施例1时的反射波声压场;

图4为实施例1时的反射声波的反射方向仿真结果;

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