[发明专利]一种消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长结构的参数调制方法

说明书

本发明涉及一种消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长声透明结构的参数调制方法。具体通过亚波长声透明结构单元通过在声学单元中插入亚波长尺度刚性薄板构成，背景流体为空气。根据已知直波导物理参数推导亚波长结构目标参数分布，根据亚波长声透明结构目标参数得到结构对应的几何参数和温度分布。控制环绕在波导上的储水容器和进水开口的尺寸，利用固定温度的热水使波导上产生目标温度分布。在波导的弯曲部分填充相应亚波长声透明结构，可以实现沿弯曲路径引导宽带声波并不产生任何反射或散射。本发明的亚波长声透明结构具有良好的消除散射性能，通过设计结构阻抗可以和背景流体完美匹配，具有控制和保持所引导声波波阵面使其不受散射影响而扭曲的作用，声波在基于此亚波长声透明结构的弯曲波导中能够像所预期的一样传播。

技术领域

本发明属于声学材料领域，涉及一种亚波长声透明结构，特别涉及一种消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长结构的参数调制方法。

背景技术

采用亚波长单元设计的声学超材料的声学特性能够极大地拓宽的材料声学参数的可实现范围，突破了天然材料的局限。声学超材料能实现的超常物理效应改变了声学领域各种问题的传统研究理念，极大地提高了人们操控弹性波的能力。通过在亚波长尺度上设计结构单元，可以实现自然界中不存在的超常材料参数，从而能够使波在特定范围发生反射、折射或者沿着给定路径传播。目前，坐标变换方法是声操控器件设计的一种常用方法。假设有两个不同的声学系统受到同一个声源的激励，一般来说，不同的材料分布的两个系统会给出不同的声学响应，但根据变换声学理论，可以找到一个坐标变换，通过选择适当的参数，使两个系统在外界探测下出现相同的检测结果。

在过去用于各种实际应用的声学器件中，声信号通常用直波导传输。弯曲波导中由于弯曲部分附近的绕射，声波会被扭曲的波前反射，导致声波能量的传输效率的损害。然而各种应用中的声波路径通常是非直线的，需要进一步研究在弯曲波导中如何在不引起实质性反射的情况下，通过弯曲部分高效传输宽带声波。此外声学超材料在过去的研究中为了简化制作往往通过采用缩放理想值来得到所需折射率而忽略了阻抗设计，这不可避免地会导致阻抗失配从而影响目标波操纵效果。如何得到阻抗匹配的声学结构同样是一个需要进一步研究的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长结构的参数调制方法，利用特殊的参数调制步骤扩宽结构参数的可实现范围，解决阻抗失配问题，实现声波在弯曲路径中的低反射传播。

本发明的技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种消除弯曲路径中宽带反射声波的亚波长结构的参数调制方法

根据已知直波导物理参数ρ₀和κ₀，坐标变换推导出亚波长结构目标物理参数ρ和κ，按照参数调制步骤，得到亚波长结构具体几何参数和所需调制温度，在尺寸L＝0.5cm的结构单元中插入刚性薄板构成亚波长结构，所述低反射弯曲波导由在波导弯曲部分周期性排列亚波长结构构成。

根据本发明，亚波长结构单元中安插的薄板的尺寸为l₁×l₂×h，所有薄板的厚度l₂都选择为0.2mm。

根据本发明，从单元几何参数和温度两个方面调制亚波长声透明结构参数。

根据本发明，波导的总长度为40cm，直波导部分为10cm，只对左半部分进行设计，右半部分通过对称反演得到。将波导的左半弯曲部分分成5段，每段角度不同。

根据本发明，左半部分波导的角度分别为9.5°，10.5°，11.7°，12.8°，13.5°。对应的各向异性板长度为2.88mm、3mm、3.15mm、3.28mm、3.35mm，所需温度为288.2K，293.7K，299.7K，305.7K，309.7K。右半部分相应参数与左半部分相同。

根据本发明，模拟和实验的入射声信号是一个被10kHz正弦信号调制的0.8ms高斯脉冲。