[发明专利]一种兰姆波调控设备及其设计方法

说明书

本发明涉及一种兰姆波调控设备及其设计方法，兰姆波调控设备包括平板以及布置在平板上方与平板相连的超构表面，超构表面由一排底面直径相同、等间距排列的柱体组成，各个柱体的高度与所需的兰姆波的波阵面形状相适应。与现有技术相比，本发明在平板上方布置了超构表面，超构表面由一排底面直径相同、等间距排列的柱体组成，通过改变各个柱体的高度，进行不同的透射波相位变化，实现了对反对称模式透射兰姆波的任意波阵面的调控，结构简单，只需一排柱体就可以实现波阵面调控，柱体的厚度为亚波长厚度，总体厚度小，且对平板静力学性能的影响比较小。

技术领域

本发明涉及工程应用中的弹性波调控领域，尤其是涉及一种兰姆波调控设备及其设计方法。

背景技术

板状材料在工业中被广泛应用，如在航空航天、汽车工业和船舶制造等领域。机械波可分为横波和纵波两种基本形式，而在上下边界自由的平板中传播的机械波(又名兰姆波)是这两种基本形式的混合波。兰姆波主要含有以下三种模式：反对称模式(Anti-symmetric，A)、对称模式(Symmetric，S)和水平剪切模式(Shear-horizontal，SH)，对应的不同模式又有不同的阶次，在不同的情况下会激发不同的兰姆波。相较声波、光波而言，兰姆波的多模式特性，使得对兰姆波的调控极具挑战性。但是，实现兰姆波的调控作用(如偏转、聚焦等)在工程结构的无损检测、能量捕获、传感通讯等方面具有重要意义。

当前在实际应用中，主要借助超构材料或声子晶体的概念来实现板状材料的兰姆波调控。但是，超构材料或声子晶体的作用机理要求基本结构进行周期性排列，使得弹性功能器件整体尺寸较大，结构较为复杂，这样既限制了在小型或高度集成功能器件上的应用，又不利于加工与制造，不是一种理想的兰姆波调控设备。此外，在设计兰姆波调控设备时还需要尽可能保留平板原有的力学性能，使平板结构可以充分发挥承载作用，当前已有的一些兰姆波调控设备中的结构设计(比如平板挖空结构)严重影响了平板的力学性能，不利于实际应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种兰姆波调控设备及其设计方法，在平板上方布置了超构表面，超构表面由一排底面直径相同、等间距排列的柱体组成，通过改变柱体的高度，进行不同的透射波相位变化，实现了对反对称模式透射兰姆波的任意波阵面的调控，结构简单，只需一排柱体就可以实现波阵面调控，柱体的厚度为亚波长厚度，总体厚度小，且对平板静力学性能的影响比较小。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种兰姆波调控设备，包括平板以及布置在平板上方的超构表面，所述超构表面与平板相连，由一排底面直径相同、等间距排列的柱体组成，各个柱体的高度与所需的兰姆波的波阵面形状相适应，不同的柱体高度对应不同的透射波相位变化。

进一步的，所述柱体的厚度为亚波长厚度。

进一步的，所述柱体与平板一体成型，且材料相同。

进一步的，所述柱体与平板通过3D打印技术一体成型。

一种兰姆波调控设备的设计方法，包括以下步骤：

S1：获取平板的厚度，生成多个几何参数不同的单元模型，所述单元模型包括平板和布置在平板上方的单个柱体，所述几何参数包括柱体的底面直径和柱体的高度；

S2：分别对各个单元模型施加不同频率的激振力，并计算各个单元模型在各个频率处的透射波相位变化和透射系数，得到基本单元模型，所述基本单元模型满足以下条件：基本单元模型在某一频率处的透射波相位变化为π或-π，且基本单元模型在该频率处的透射系数不小于预设置的透射系数阈值，将该频率记为基本单元模型的工作频率；

S3：对基本单元模型施加频率等于工作频率的激振力，保持基本单元模型中柱体的底面直径不变，不断改变基本单元模型中柱体的高度并计算基本单元模型的透射波相位变化和透射系数，直至得到透射波相位变化在[-π，π]内关于基本单元模型的柱体高度的变化函数；