一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷及其实现方法技术

一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷及其实现方法。由内层近零折射率声子晶体Ⅰ与和外层可调谐的透射超表面Ⅱ构成，近零折射率声子晶体Ⅰ侧面布置多个可调谐的透射超表面Ⅱ，透射超表面Ⅱ中的超表面腔壳与移动块以指叉形式装配组成四腔体亥姆赫兹谐振器。实现方法中，先设计声波全向隐身斗篷后进行声隐身系统安装与调试，然后进行入射声波的传播方向调控、透射波声压扫描测试验证，最后进行全角度的声压场测试。本发明专利技术采用近零折射率声子晶体与透射型超表面相结合的方法实现隐藏目标的全角度声学隐身；提出基于结构可调控超表面单元的透射声波相位控制方法，实现任意角度的声波转向；透射声场分布结果可靠性高；可适于全角度声学隐身与性能检测。角度声学隐身与性能检测。角度声学隐身与性能检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷及其实现方法


[0001]本专利技术属于声学测控领域，涉及一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷及其实现方法。

技术介绍

[0002]声学隐身斗篷可使声波“绕过”障碍物自由前行，不会产生任何散射，因此，物体不会被探测到，实现声学隐身效果。隐身功能的实现需要一种材料层使得被隐身物体和环境介质完全匹配，此材料层要求不仅具有各向异性的密度和体积弹性模量，而且二者呈一定规律变化，以调控弹性波的传播路径。声学超构材料作为一种新型的人工结构材料，拥有天然材料所不具备的超常物理特性，拓展了材料的声学属性，通过对声波进行精准操控，可以实现声学隐身功能。但是，苛刻的声学参数要求与理想的界面条件导致声学超构材料物制备工艺复杂，实际应用难度大。
[0003]2013年，文章“Effective zero index in locally resonant acoustic material”提出了一种新的声学隐身衣的概念，利用近零折射率声学材料特有的声波隧穿效应隐藏目标物体，引起了人们的广泛关注。近零折射率声子晶体由于在声波操控方面，可放宽对材料声学参数的分布要求、减小设计制备难度。通过精确设计声子晶体中的散射单元结构，在特定频率处出现零折射率现象，导致声波在其内部传播时波长被无限拉伸，传播后声波相位几乎不变，声能近乎无损耗，产生类似于量子力学中的遂穿效应。近零折射率声子晶体的遂穿效应具有一定鲁棒性，嵌入声子晶体中的隐身对象亦不会干扰到声波的传播，可实现声学隐身功能。
[0004]但是零折射率声学材料的一大特点就是只能接受垂直入射的声波，当声波的入射方向与材料表面存在偏移角度时，会有明显的反射，破坏声学隐身的效果。2019年，文章“Acoustic transmissive cloaking using zero
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index materials and metasurfaces”虽然利用透射超表面实现了近零折射率材料与45透斜入射声波的完美配合。仍然存在特定情况下适用的场景(声波45情斜入射)。因此需要设计一种能够满足在声波方向任意变换的情况下，仍然调整结构使其满足声学隐身的概念，它将对声学隐身具有非常重要意义，快速推动近零折射率声子晶体在声隐身领域应用的进程。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决现有的零折射率声学隐身斗篷的方向性问题(即只对特定的方向上实现隐身)，提出一种利用可调整的透射超表面结合近零折射率声子晶体实现全角度的(无方向性的)二维声学隐身斗篷的新技术，设计并制造一种基于近零折射率声子晶体与透射超表面的二维全角度声学隐身斗篷。该全角度声学隐身斗篷以中心点为隐藏目标，中间层为近零折射率声子晶体，利用零折射率材料的隧穿特性来隐藏目标；外层为透射超表面，单元包含多个亥姆赫兹共振腔，通过调节自身的腔体空间实现声波在透射单元内的2π范围内的相位变化，将斜入射的声波扭转成垂直入射的声波以配合声子晶体工作，再将声子晶
体出射的垂直声波扭转成原来声波的斜入射方向实现隐身效果。具有调试简单，便于操作，实现成本低的特点。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷，所述的全角度声学隐身斗篷主要由内层近零折射率声子晶体Ⅰ与和外层可调谐的透射超表面Ⅱ构成。在方形近零折射率声子晶体Ⅰ的每一侧面均布置可调谐的透射超表面Ⅱ，近零折射率声子晶体Ⅰ外表面与透射超表面Ⅱ内侧面的距离为a。
[0008]所述的近零折射率声子晶体Ⅰ采用可方便更换的分体式结构，包括声子晶体基板1、散射体2，其中，散射体2通过键槽连接于声子晶体基板1表面，成阵列式排布。所述的声子晶体基板上1上以矩形阵列形式分布有圆形键槽，键槽间距为b，散射体2上半段为正方体结构，下半段为圆柱键体结构，散射体2通过下半段圆柱键体与声子晶体基板1圆形键槽连接，限制其在声子晶体基板1表面的移动与转动自由度，装配后的相邻散射体2正方体结构间狭缝宽度c，组成声学F
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P腔结构，实现声波的遂穿。
[0009]所述的透射超表面Ⅱ布置在近零折射率声子晶体Ⅰ的四个侧面，每个侧面均包含14个透射超表面单元，每个透射超表面Ⅱ单元均包括超表面腔壳3、底部移动块4、垫片5、连接螺母6、直线位移驱动杆7。所述的超表面腔壳3可分为三部分，结构的上层部分是遮盖板，作为声场传播的上边界，限制声波在结构单元内的传播；中层部分是空气通道，包括声波的入口、出口和传播空间；下层部分是通过3个挡板隔离的底部开放立方体腔壳，腔壳的上表面开有长方体沟槽与空气通道相连。所述的底部移动块4整体呈立方体结构，上表面开有3个等距分布的沟槽，下底面设有螺纹孔结构，底部移动块4以螺纹形式与直线位移驱动杆7端部连接，并经过垫片5、连接螺母6紧固连接。超表面腔壳3与底部移动块4以指叉形式装配组成四腔体亥姆赫兹谐振器，超表面腔壳3下层部分的隔离挡板插入底部移动块4上表面沟槽配合形成移动导轨，超表面腔壳3固定后，直线位移驱动杆7可以带动底部移动块4沿导轨方向上下移动，控制亥姆赫兹谐振腔高度h，即超表面腔壳3下层部分上表面与底部移动块4上表面之间的距离。值得注意的是，传统的亥姆赫兹谐振腔都是封闭固定式，而我们通过控制底部移动块4的运动，形成可调谐的亥姆赫兹谐振腔，实现透射声波相位的调节。相邻超表面单元之间采用高强度胶体连接，形成透射超表面Ⅱ阵列。通过控制透射超表面Ⅱ上每一单元处的透射声波相位，使其垂直入射指近零折射率声子晶体Ⅰ表面，实现全角度入射声波的遂穿。
[0010]进一步的，所述近零折射率声子晶体Ⅰ外表面与透射超表面Ⅱ内侧面的距离为a与入射声波波长相关，通常设置为10～30mm；键槽间距b的取值与穿透声波的频率相关，通常设置为40～80mm；相邻散射体2间狭缝宽度c的取值与入射声波波长相关，通常设置为2～5mm。
[0011]一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷的实现方法，包括以下步骤：
[0012]第一步，设计声波全向隐身斗篷
[0013]通内层近零折射率声子晶体Ⅰ与和外层可调谐的透射超表面Ⅱ组装声波全向隐身斗篷。
[0014]利用环境空气与固体散射体2之间的密度和声速参数的差异、相邻散射体2之间的狭缝共振实现在频率点f0的透射率为1，反射率为0。近零折射率率声子晶体Ⅰ与透射超表面
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的相关设计结构仿真的分析和计算采用Comsol Multiphysics有限元仿真
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声学压力模块来进行，包括能带图计算、声波透射反射率计算。通过透射率与反射率计算等效折射率与等效阻抗，公式如下：
[0015][0016][0017]式中，T为透射率，R为反射率，n为声学折射率，ε为声阻抗，k为波数，d为有效厚度，m为散射体与空气的密度比值。
[0018]通过亥姆赫兹谐振腔高度h以满足声波在透射超表面Ⅱ单元内的阻抗匹配，实现相位调节。其中仿真发现当谐振腔的个数超过4时，即可以实现连续声波在2π范围内的相位调节，因此，透射超本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷，其特征在于，所述的全角度声学隐身斗篷主要由内层近零折射率声子晶体Ⅰ与和外层可调谐的透射超表面Ⅱ构成；在方形近零折射率声子晶体Ⅰ的每一侧面均布置可调谐的透射超表面Ⅱ，近零折射率声子晶体Ⅰ与透射超表面Ⅱ之间的距离为a；所述的近零折射率声子晶体Ⅰ外表面与透射超表面Ⅱ内侧面的距离为a与入射声波波长相关；所述的近零折射率声子晶体Ⅰ采用可方便更换的分体式结构，包括声子晶体基板(1)、散射体(2)；所述散射体(2)通过键槽连接于声子晶体基板(1)表面，成阵列式排布，相邻散射体(2)正方体结构间狭缝宽度c，组成声学F
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P腔结构，实现声波的遂穿；所述的声子晶体基板上1上以矩形阵列形式分布有圆形键槽，键槽间距为b；所述的键槽间距b的取值与穿透声波的频率相关，所述的狭缝宽度c的取值与入射声波波长相关；所述的透射超表面Ⅱ布置在近零折射率声子晶体Ⅰ的四个侧面，每个侧面均包含14个透射超表面单元，每个透射超表面Ⅱ单元均包括超表面腔壳(3)、底部移动块(4)、直线位移驱动杆(7)；所述的底部移动块(4)上表面开有等距分布的沟槽，底部移动块(4)底部与直线位移驱动杆(7)端部连接；所述的超表面腔壳(3)与底部移动块(4)以指叉形式装配组成四腔体亥姆赫兹谐振器，超表面腔壳(3)下层挡板插入底部移动块(4)上表面沟槽配合形成移动导轨，超表面腔壳(3)固定后，直线位移驱动杆(7)能够带动底部移动块(4)沿导轨方向上下移动，控制亥姆赫兹谐振腔高度h，形成可调谐的亥姆赫兹谐振腔，实现透射声波相位的调节；所述的相邻透射超表面Ⅱ单元之间采用胶体连接，形成透射超表面Ⅱ阵列；通过控制透射超表面Ⅱ上每一单元处的透射声波相位，使其垂直入射指近零折射率声子晶体Ⅰ表面，实现全角度入射声波的遂穿。2.根据权利要求1所述的一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷，其特征在于，所述的超表面腔壳(3)可分为三部分，其上层为遮盖板，作为声场传播的上边界，限制声波在透射超表面Ⅱ单元内的传播；中层为空气通道；下层是通过挡板隔离的底部开放的立方体腔壳，腔壳上表面开有长方体沟槽与空气通道相连。3.根据权利要求1所述的一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷，其特征在于，所述的近零折射率声子晶体Ⅰ外表面与透射超表面Ⅱ内侧面的距离为a为10～30mm；所述的键槽间距b为40～80mm；所述的相邻散射体(2)间狭缝宽度c为2～5mm。4.根据权利要求1所述的一种基于遂穿效应的声波全向隐身斗篷，其特征在于，所述的散射体(2)上半段为正方体结构，下半段为圆柱键体结构，散射体(2)通过下半段圆柱键体与声子晶体基板(1)圆形键槽连接，限制其在声子晶体基板(1)表面的移动与转动自由度。5.一种权利要求1
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4任一所述的声波全向隐身斗篷的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，设计声波全向隐身斗篷通内层近零折射率声子晶体Ⅰ与和外层可调谐的透射超表面Ⅱ组装声波全向隐身斗篷；利用环境空气与固体散射体(2)之间的密度和声速参数的差异、相邻散射体(2)之间的狭缝共振实现在频率点f0的透射率为1，反射率为0；通过调节亥姆赫兹谐振腔高度h满足声波在透射超表面Ⅱ单元内的阻抗匹配，实现相位调节；其中，透射超表面Ⅱ采用可调谐四腔体亥姆赫兹谐振器结构；
第二步，声隐身系统安装与调试将平面波声源(8)放置于工作台(9)上，全角度声学隐身斗篷整体安装于平面波声源(8)前方，将隐藏目标(10)放置在近零折射率率声子晶体Ⅰ中间，将透射超表面Ⅱ阵列置于近零折射率率声子晶体Ⅰ四周，近零折射率声子晶体Ⅰ外表面与透射超表面Ⅱ阵列的内表面的安装距离为a，...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹暾，廉盟，贾婧媛，陈峰，段麟秋，苏莹，刘宽，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：