一种用于增强水-空气界面声透射的超表面的制作方法技术

本发明专利技术公开了一种用于增强水

【技术实现步骤摘要】
一种用于增强水
‑
空气界面声透射的超表面的制作方法


[0001]本专利技术属于声学的
，具体涉及一种用于增强水
‑
空气界面声透射的超表面的制作方法。

技术介绍

[0002]海洋约占地球表面面积的70％左右，海空通信则可有效地在空中和海水之间进行信息传递，在海洋网络开发，海上应急通信等方面发挥着重要作用。然而，与陆地空间通信不同的是，海空通信需要跨海洋—空气界面，涉及到水和空气两种传播介质，电磁波在海水中传播时场强会呈指数规律衰减，光在海水中传播时会发生严重的散射，而声波作为一种机械波，在海水中的衰减小得多，可得到从几百米延伸至几十公里的通信距离。因而，声波将是连接海洋、大气和陆地三者之间一种最为有效的媒介。
[0003]然而，由于水和空气的特征声阻抗相差3600多倍，当声波入射到水
‑
空气界面时，绝大部分的声波将会被反射，只有约0.1％的声波能量可以透射传输，这将极大地限制了声波在水
‑
空气界面处的传播效率。
[0004]面对声阻抗比相差较大的跨介质传输问题，运用声学理论中传统四分之一波长匹配层理论，则需要寻找一种特征声阻抗约为空气声阻抗60倍的均质材料，显然很难在自然界中找到这类天然材料，目前被证明为较为有效的方法是通过水下气泡共振的方式，但为了使得设计的结构内部能够锁住气泡，需要对结构进行进一步的疏水化学处理，增加了额外的制作工序、制作时间和制造成本。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种用于增强水
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空气界面声透射的超表面的制作方法，采用拓扑优化方式逆向设计了声学超表面，能够将设计的声学超表面放置在水
‑
空气界面之间，实现声波在水与空气界面处双向的高效透射。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种用于增强水
‑
空气界面声透射的超表面的制作方法，包括：
[0008]步骤一、预设声波在水到空气界面处高效透射的声波频率f；
[0009]步骤二、根据λ＝c/f，计算该声波频率f下声波波长λ，其中，c为声波在空气中的传播速度；
[0010]步骤三、根据声波波长λ确定声学超表面单元结构的尺寸，其中，声学超表面单元结构外形为矩形，矩形的宽度为a，高度为b，可取a＝λ/8，b＝λ/20；
[0011]步骤四、采用拓扑优化方式，将声学超表面单元结构划分为若干个像素点，以声波在水到空气界面处的透射效率为优化目标，通过对划分的每个像素点赋予不同的材料参数，然后计算单个声学超表面单元在周期边界条件下声波从水到空气的透射率；
[0012]步骤五、循环执行步骤四，调整声学超表面单元结构中若干个像素点的材料参数分布，逐步迭代，使得计算得到的声波从水到空气的透射率接近为100％，从而获得最佳的
材料参数分布，所获得的最佳的材料参数分布即为声学超表面单元结构。
[0013]优选的，所述步骤四中，所述拓扑优化方式为结构逆向设计方式，采用基于改进的遗传算法进行结构优化，同时采用并行计算方式。
[0014]优选的，所述步骤四中，所述材料参数包括固体材料和气体材料，所述固定材料为环氧树脂，所述气体材料为空气。
[0015]优选的，所述步骤四中，在对单个声学超表面单元结构优化过程中，采用上下对称、左右对称进行约束设置。
[0016]优选的，在所述步骤五中，将最终获得的声学超表面单元结构进行周期排列，平铺在水
‑
空气界面处。
[0017]优选的，在所述步骤五中，将最终获得的声学超表面单元结构整体尺寸与对应声波波长按照同一比例进行缩放，调节声波高效透射的频率，满足声学超表面尺寸与高效透射波长间的尺度变化规律。
[0018]优选的，在所述步骤五中，所述材料参数分布中，固体材料对应的声学超表面单元结构在拓扑优化过程中为弹性体。
[0019]优选的，所述步骤五中，所述声学超表面单元结构包括至少一种固体材料。
[0020]本专利技术的有益效果在于，本专利技术以声波在水
‑
空气界面处的透射效率为优化目标，采用拓扑优化方式逆向设计了声学超表面，该声学超表面由周期性排列的声学超表面单元组成，该声学超表面单元由特定形状的固体框架组成。将设计的声学超表面放置在水
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空气界面之间，可实现声波在水与空气界面处双向的高效透射，透射效率接近100％；同时对于不同的入射场，如高斯平面波束和柱面波束，也能实现较高的透射率；此外，设计的声学超表面的厚度仅为对应频率下空气声波长的1/20，并且通过等比例缩放结构尺寸，可在调节声波在水
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空气界面处高效透射的频率。本专利技术的声学超表面设计制作方法，设计方式简单，可直接采用3D打印方式制作，无需化学工艺等其他方式进行后续加工处理，简化了设计流程和制作方式，在面向海空通信、海上应急救援、海洋网络开发等工程领域具有重要的应用价值。
附图说明
[0021]下面将参考附图来描述本专利技术示例性实施方式的特征、优点和技术效果。
[0022]图1为本专利技术的增强水
‑
空气界面声波透射的声学超表面结构设计的原理示意图。
[0023]图2为本专利技术实施一的声波在水
‑
空气界面处双向高效透射的效果图和声学超表面单元固体结构的振动模态。
[0024]图3为本专利技术实施一的声学超表面的结构示意图和在不同入射声场条件下的高效透射效果图。
[0025]图4为本专利技术实施二的声波在水
‑
空气界面处双向高效透射的效果图和声学超表面单元固体结构的振动模态。
[0026]图5为本专利技术实施二的声学超表面的结构示意图和在不同入射声场条件下的高效透射效果图。
[0027]图6为本专利技术实施三的声波在水
‑
空气界面处双向高效透射的效果图和声学超表面单元固体结构的振动模态。
[0028]图7为本专利技术实施三的声学超表面的结构示意图和在不同入射声场条件下的高效透射效果图。
[0029]其中，附图标记说明如下：
[0030]1‑
水；
[0031]2‑
声学超表面；
[0032]3‑
空气；
[0033]21
‑
第一类声学超表面单元结构；
[0034]22
‑
第二类声学超表面单元结构；
[0035]23
‑
第三类声学超表面单元结构。
具体实施方式
[0036]如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于增强水
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空气界面声透射的超表面的制作方法，其特征在于，包括：步骤一、预设声波在水
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空气界面处高效透射的声波频率f；步骤二、根据λ＝c/f，计算该声波频率f下声波波长λ，其中，c为声波在空气中的传播速度；步骤三、根据声波波长λ确定声学超表面单元结构的尺寸，其中，声学超表面单元结构外形为矩形，矩形的宽度为a，高度为b，可取a＝λ/8，b＝λ/20；步骤四、采用拓扑优化方式，将声学超表面单元结构划分为若干个像素点，以声波在水
‑
空气界面处的透射效率为优化目标，通过对划分的每个像素点赋予不同的材料参数，然后计算单个声学超表面单元在周期边界条件下声波从水到空气的透射率；步骤五、循环执行步骤四，调整声学超表面单元结构中若干个像素点的材料参数分布，逐步迭代，使得计算得到的声波从水到空气的透射率接近为100％，从而获得最佳的材料参数分布，所获得的最佳的材料参数分布即为声学超表面单元结构。2.如权利要求1所述的一种用于增强水
‑
空气界面声透射的超表面的制作方法，其特征在于：所述步骤四中，所述拓扑优化方式为结构逆向设计方式，采用基于改进的遗传算法进行结构优化，同时采用并行计算方式。3.如权利要求1所述的一种用于增强水
‑
空气界面声透射的超表面的制作方法，其特征在于：所述步骤四中，所述材料参数包括固体材料和气体材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：王艳锋，周红涛，汪越胜，张少聪，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：