亚波长空间折叠结构超构材料实现低频声波指向性传播的方法技术

亚波长空间折叠结构超构材料实现低频声波指向性传播的方法，使用4个圆柱体的空间折叠结构单元，将结构单元分成两组，每组两个，每组内两个单元相连，两组之间间距L为X轴，长40±20cm厘米，与声源所在y轴对称，组成改善低频声波的指向性的器件；所述圆柱体的空间折叠结构单元是指圆柱体的侧面至圆柱体中轴具有若干分割成曲折的Z字形通道，所述空间折叠结构单元如下述：其横截面的圆均分为六至八个圆心角构成的扇形，每个扇形的两条半径的边各为一梯形的梳背。第一梳背上梳齿与第二梳背上梳齿交叉，但第一梳背上固定的梳齿距第二梳背存在间隙。

【技术实现步骤摘要】
一、
本专利技术涉及利用超构材料，在声学器件尺寸远小于声波波长的情况下，实现低频声波的高指向性传输的方法。尤其是利用亚波长空间折叠结构超构材料实现低频声波指向性传播的方法。二、
技术介绍
波的衍射效应使得波在传播过程中不断发散，长久以来，如何实现声波的指向性传播一直都是科学研究的重点之一。声波的指向性不仅能够提高能量利用效率，还能减少噪声干扰，提高信号传输的保密性。过去，人们往往通过改变声源的方式实现指向性，如阵列声源以及特定振速分布的活塞辐射产生的贝塞尔型超声波束等方法。近来，基于光子晶体的声子晶体的提出，其具有的各向异性抑制波的传播和能带边缘态等特性也为实现指向性提供了新的思路。另外，基于变换光学的波调控也被理论上证明是一种能有效实现声波辐射控制和指向性的方法。与此同时，声学器件小型化也是研究者经常要面对的挑战，在传统声学中，对声波的调控往往意为着器件尺寸要接近或大于波长，而由于波的频率越低，波长越长，利用小型化器件实现低频声波的指向性更是研究的难点。最近，随着超材料理论与实验的发展，声学超材料的提出使得声波调控研究有了新的进展，人工声学超材料相比于天然材料具有独特的物理特性和广泛的应用前景，比如声学隐身衣，亚波长分辨率的超声成像等。最近我们提出一种基于级联赫姆霍兹共鸣器的声学超构材料，这种亚波长超构材料通过改变边界声阻抗调控声波产生偶极子指向性声辐射，为声学结构小型化提供了一种新的思路。三、
技术实现思路
本专利技术的目的：采用超构材料，在声学器件尺寸远小于声波波长的情况下，实现低频声波的高指向性传输。本专利技术的技术方案：利用超构材料改善低频声波的指向性的方法，尤其是利用亚波长空间折叠结构超构材料实现低频声波指向性传播的方法，使用4个圆柱体的空间折叠结构单元，将结构单元分成两组，每组两个，每组内两个单元相连，两组之间间距L为X轴，长40±20cm厘米，与声源所在y轴对称，组成改善低频声波的指向性的器件；所述圆柱体的空间折叠结构是指圆柱体的侧面至圆柱体中轴具有若干分割成曲折的Z字形通道，所述空间折叠结构单元如下述：其横截面的圆均分为六至八个圆心角构成的扇形，每个扇形的两条半径的边各为一梯形的梳背，第一梳背上梳齿与第二梳背上梳齿交叉，但第一梳背上固定的梳齿距第二梳背存在间隙；使用4个圆柱体的空间折叠结构单元组成器件；此为即使用特定形状的固体框架插入背景声传播流体中(通常为空气)，使得原本各向同性的流体空间被分割成曲折的Z字形通道，声波通过时被迫沿Z字形路径走更长的距离。所述梳齿尤其是不同半径的圆弧线。本专利技术方案所述的圆柱体的半径R为5±1厘米，高h为15±2厘米的圆柱体，圆柱体内构成梳背的梳齿材料为环氧树脂；固体框架厚度t为1毫米，将圆柱体按圆心角角度等分为8份，每部分由9片(9条梳齿)不同的扇形结构插入空气中将空气“弯折”8次，形成Z字形通道，梳齿间通道宽度w为4毫米；圆柱中心剩余一个半径9毫米的空心圆柱管。有了结构单元之后我们使用4个结构单元组成器件：将单元分成两组，每组两个，组内两个单元相连，中心间距10厘米，两组之间间距L为40cm厘米，以声源所在y轴对称，结构整体尺寸为80厘米*10厘米*15厘米。此结构适用的声波频率范围为460Hz到469Hz。需要说明的是，调整结构参数，特别是弯曲次数和半径大小，可以改变适用频率范围。图1(a)为实现低频声波指向性的空间折叠结构单元俯视图。图1(b)为三维的结构单元。图1(c)为四个结构单元组成的声学器件整体。由于空间折叠结构迫使流体沿着Z字形曲折路径流动，因此流体中传播的声波在通过结构单元时也必须绕行Z字路径。相比于原来的传播路径，此时声波通过相同的距离需要花费更多的时间，这就相当于声波的传播速度被降低了，因此八个Z字形通道可等效为八条具有高折射系数的直通道，从而可以引起Mie共振。与传统的基于LC共振原理的质量弹簧(如赫姆霍兹共鸣器)不同，该结构依靠单极子模式Mie共振产生的能量聚集，散射极大，抑制声波侧向传播，同时将能量散射汇集到y方向，从而实现声波指向性。通过数值模拟我们观察到，利用此共振效果实现的声波调控指向性强，在目标方向的声强远高于单极子辐射，这是由于本器件利用Mie共振时散射极大的原理，并不吸收或损耗能量，因此能量利用率高。本专利技术的有益效果是，与现有技术相比具有如下的特点，Mie共振抑制声波在特定方向的传播，将其散射并增强另一方向的声强，能量利用率高，可以获得高指向性波束的传播。辐射指向性好，没有旁瓣，在距声源相同距离位置声强远高于其它常见的实现声波指向性的方法。通过亚波长结构能以十分之一波长尺寸的结构单元对数百赫兹低频声波实现有效调控，使器件小型化成为可能。同时该结构整体在工作时所占的实际空间位置非常小，并且在点源周围留有很大的空白，因此它仅在声学意义上作用效果明显，在调控声波的同时不会对声源产生影响，不会妨碍声源的可视性，热传播特性等。利用空间折叠结构产生慢声速、高折射率通道，实现Mie共振，抑制声波侧向传播，同时将能量散射汇集到希望指向的方向，从而实现声波指向性。低频高指向性的实现方法,提出了一种新型声学结构来实现低频声波的高指向性方法，依靠单极子模式Mie共振产生的能量聚集和强散射能力，抑制声波侧向传播，同时将能量散射汇集到y方向，从而实现声波指向性。1、依靠单极子模式Mie共振产生的能量聚集和强散射能力实现指向性，并不吸收或损耗能量，能量利用率高。2、可用尺寸仅为波长的十分之一的结构单元对声波进行有效的调控，使得器件的小型化成为可能。3、获得的声场的指向性好，且无旁瓣，相同距离的轴向声强远高于单极子点源。4、结构占用空间小，并且在声源周围留有很大的空白，对声源本身产生的影响小，不会妨碍声源的可视性，热传播特性等。四、附图说明图1本专利技术空间折叠结构单元结构图；图1(a)为折叠结构单元俯视图；(b)空间折叠结构单元立体图；(c)整体器件结构俯视图；(d)实现半空间指向性结构俯视图。图2数值计算所获得的样品声波辐射图；图2(a)：单极子声源在图1(c)所示结构调控下产生的指向性声波。图2(b)：单极子声源在图1(d)所示结构调控下产生的半空间指向性声波。图2(c)：对照组，将图1(c)所示器件中的空间折叠结构圆换成普通的实心圆柱体(所用材料仍为环氧树脂)后，单极子声源被调控后的辐射图案。图3声压指向性图。图3(a)：图2(a)中声波辐射图案的声压指向性图。图3(b)：图2(b)中声波辐射图案的声压指向性图。图3(c)：对照组，图2(c)中声波辐射图案的声压指向性图。五、具体实现方案本专利技术的结构样品图如图1所示。图1(a)为实现强指向性的空间折叠结构单元样品结构的俯视图。结构单元为半径R为5厘米，高h为15厘米的圆柱体，固体材料为环氧树脂；固体框架厚度t为1毫米，将圆柱体按横截面的圆心角度等分为8份，每部分由9片不同的扇形结构插入空气中将空气“弯折”8次，形成多个Z字形通道，通道宽度为w为4毫米；圆柱中心剩余一个半径r为9毫米的空心圆柱管。有了结构单元之后我们使用4个结构单元组成器件：将单元分成两组，每组两个，组内两个单元相连，中心间距10厘米，两组之间间距L为40cm厘米，以声源所在y轴对称，器件整体尺寸为80厘米*10厘米*15厘本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用超构材料改善低频声波的指向性的方法，使用4个圆柱体的空间折叠结构单元，将结构单元分成两组，每组两个，每组内两个单元相连，两组之间间距L为X轴，长40±20cm厘米，与声源所在y轴对称，组成改善低频声波的指向性的器件；所述圆柱体的空间折叠结构单元是指圆柱体的侧面至圆柱体中轴具有若干分割成曲折的Z字形通道，所述空间折叠结构单元如下述：其横截面的圆均分为六至八个圆心角构成的扇形，每个扇形的两条半径的边各为一梯形的梳背，第一梳背上梳齿与第二梳背上梳齿交叉，但第一梳背上固定的梳齿距第二梳背存在间隙。

【技术特征摘要】
1.利用超构材料改善低频声波的指向性的方法，使用4个圆柱体的空间折叠结构单元，将结构单元分成两组，每组两个，每组内两个单元相连，两组之间间距L为X轴，长40±20cm厘米，与声源所在y轴对称，组成改善低频声波的指向性的器件；所述圆柱体的空间折叠结构单元是指圆柱体的侧面至圆柱体中轴具有若干分割成曲折的Z字形通道，所述空间折叠结构单元如下述：其横截面的圆均分为六至八个圆心角构成的扇形，每个扇形的两条半径的边各为一梯形的梳背，第一梳背上梳齿与第二梳背上梳齿交叉，但第一梳背上固定的梳齿距第二梳背存在间隙。2.所述梳齿尤其是不同...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁庚熹，刘晓宙，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32