一种可配置伪装效应的声学超构面纱制造技术

本发明专利技术提出一种可配置伪装效应的声学超构面纱，由N种能够产生不同反射相位的超构原子组成，所设计的N种超构原子能保证声学超构表面的透射无畸变，声学超构表面的反射可通过改变超构原子的排列方式来操纵，能实现三种特殊的反射，即漫反射、多声束反射和反射聚焦，由此实现了透射波前无畸变和可配置反射波前的声学超构表面，成功打破反射相位和透射相位之间的相关性。间的相关性。间的相关性。

【技术实现步骤摘要】
一种可配置伪装效应的声学超构面纱


[0001]本专利技术属于声学超构材料领域，特别涉及一种在保证透射波前不变的情况下，可配置反射波前的声学超构表面。

技术介绍

[0002]声呐广泛应用于水下和空中场景。声呐一般由基阵、电子机柜和辅助设备三部分组成。基阵由多个换能器以一定几何图形排列组合而成，可以高精度地分析来自环境的入射声波，从而不仅在水下，而且在空中也有许多应用，例如噪声检测、回声测距、目标识别和导航等；电子机柜一般有发射、接收、显示和控制等分系统；辅助设备包括电源设备、连接电缆、水下接线箱和增音机、与声呐基阵的传动控制配套装置，以及声呐罩等。在声呐中，换能器之间接收到的信号的相对相位差非常重要，因为它决定有关声源、方向和位置的信息。这种相对相位差可以通过入射波的波前来表征，因此，不变的入射波前对于声呐数据采集至关重要。另一方面，通常会使用声呐罩来保护声呐。广泛意义上的声呐罩是用来保护声呐的固体结构，其基本要求是宽频范围内允许透射波通过且不改变透射波前，即不影响声呐探测声波的入射方向和距离等信息。但是，普通的声呐罩结构虽然能够保证声呐正常工作，但是会造成镜面反射等，不利于声呐隐身。因此，在一些隐身领域，有必要发展新型超构材料，实现在保证透射波前不变的情况下，可以控制反射波前，以达到声呐所需的伪装效果。
[0003]近年来，声学超构表面作为单层超构原子组成的声学超构材料，表现出了非凡的能力，可以自由地操纵透射或反射声波的相位和振幅等物理量。声学超构表面使许多新颖应用成为可能，比如声学隐身和辐射控制、声吸收、隔声、混响工程、声学全息和声漫反射等。根据广义斯涅尔定律，声学超构表面允许反射/透射波向任何希望的方向传播，且可以有效地产生漫反射声波。实现声呐隐身需要声呐罩能够保证透射波前不变的情况下，改变反射波前，使其不易被探测到。然而，到目前为止，大多数超构表面的应用都集中在反射波或者透射波上，由于透射和反射有很强的相关性，通常只能单独控制反射或单独控制透射，在控制透射波前不变的同时改变反射波前还没有被研究过。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术提出一种可配置伪装效应的声学超构面纱，实现了透射波前无畸变和可配置反射波前的声学超构表面，成功打破反射相位和透射相位之间的相关性。在空气中或水下，本专利技术能实现无畸变透射波前，同时还能对反射波前实现可配置调控，包括三种特殊的反射，即漫反射、多声束反射和反射聚焦，从而实现声呐所需的伪装效果。
[0005]本专利技术的第一方面公开一种可配置伪装效应的声学超构面纱，其包括编号分别为“0”、“1”、“2”、“3”、
…
、“N
‑
1”的N种超构原子，N为不小于4的正整数；所述编号为“0”、“1”、“2”、“3”、
…
、“N
‑
1”的超构原子的透射相位和透射率基本相同，反射相位在0～2π范围内以相同梯度分布；所述超构原子相互连接、呈矩形阵列式排布；所述矩形阵列中，每一行超构
原子按“0”至“N
‑
1”的编号顺序周期性排列，每一列超构原子的编号相同；所述声学超构面纱能实现异常反射和无畸变透射波前。
[0006]本专利技术的第二方面公开一种可配置伪装效应的声学超构面纱，其包括编号分别为“0”、“1”、“2”、“3”、
…
、“N
‑
1”的N种超构原子，N为不小于4的正整数；所述编号为“0”、“1”、“2”、“3”、
…
、“N
‑
1”的超构原子的透射相位和透射率基本相同，反射相位在0～2π范围内以相同梯度分布；所述超构原子相互连接、呈矩形阵列式排布；所述矩形阵列中，N种编号的超构原子按“0”至“N
‑
1”的编号顺序由内向外依次排布，相邻两种超构原子之间的交界线构成同心圆，各超构原子到达目标焦距的反射相位基本相等；所述声学超构面纱能实现反射波聚焦和无畸变透射波前。
[0007]本专利技术的第三方面公开一种可配置伪装效应的声学超构面纱，其包括相互连接、阵列式排布的若干个超构单元；所述超构单元具有编号分别为“0”、“1”、“2”、“3”、
…
、“N
‑
1”的N 种超构原子，N为不小于4的正整数；所述编号为“0”、“1”、“2”、“3”、
…
、“N
‑
1”的超构原子的透射相位和透射率基本相同，反射相位在0～2π范围内以相同梯度分布；所述超构单元中，超构原子相互连接、呈矩形阵列式排布，每个位置的超构原子都具有一个完整的二维二次序列，且每个位置的超构原子的序列号与编号相对应所述序列号S
n,m
为:
[0008]s
n,m
＝(n2+m2)Modulo(N)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0009]式中，m和n分别代表超构原子阵列的行号和列号，Modulo(N)表示除N后的最小的非负余数；所述声学超构面纱能实现漫反射和无畸变透射波前。
[0010]上述三种可配置伪装效应的声学超构面纱，4≤N≤10。
[0011]上述三种可配置伪装效应的声学超构面纱，其中所述超构原子采用硬质材料制作；所述硬质材料满足空气中声波入射到硬质材料上视为入射到硬声场边界上。可选的，所述硬质材料为树脂、金属、石头、陶瓷、玻璃中的至少一种。
[0012]上述三种可配置伪装效应的声学超构面纱，其中所述超构原子包括一矩形基底，所述矩形基底的横截面为边长为l的正方形，所述矩形基底的厚度为H，所述l和H均不超过一个工作波长；所述矩形基底中开设有上下贯通的圆柱形通道，所述圆柱形通道的内径为R；所述圆柱形通道内嵌环形块，所述环形块的外径与圆柱形通道的内径相等，所述环形块的内径为r，所述环形块距矩形基底顶面的距离为L；所述N种超构原子的l、H、R均相等，所述N种超构原子的反射相位与r和L相关联。
[0013]本专利技术具有以下有益效果：
[0014]本专利技术所公开的声学超构面纱，在空气中或水下，既保证实现无畸变透射波前，同时还能对反射波前实现可配置调控，能分别实现三种特殊的反射，即异常反射、反射聚焦和漫反射，由此实现声学超构面纱的伪装效应。
[0015]本专利技术还可将具有漫反射效果的声学超构面纱结构替代声呐罩应用于声呐上，可以允许透射波不改变透射波前，即允许声呐探测声波入射方向和距离等信息，同时能够产生较小的散射截面并且使其难以检测，因此能在声呐伪装隐身技术中有重要的应用。
[0016]本专利技术所公开的声学超构面纱结构简单，制作成本低，便于产业化推广应用。
附图说明
[0017]图1：(a)具有可配置反射波前和无畸变透射波前的声学超构面纱示意图；(b)专利技术
的超构面纱的3D示意图；(c)超构原子的示意图；
[0018]图2：在5900Hz时，(a)超构原子的透射率T与环块内半径r以及环形块与超构面纱上表面距离L之间的距离的函数关系；黑色虚线表示T＝0.5的等高线图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可配置伪装效应的声学超构面纱，其特征在于，包括编号分别为“0”、“1”、“2”、“3”、
…
、“N
‑
1”的N种超构原子，N为不小于4的正整数；所述编号为“0”、“1”、“2”、“3”、
…
、“N
‑
1”的超构原子的透射相位和透射率基本相同，反射相位在0～2π范围内以相同梯度分布；所述超构原子相互连接、呈矩形阵列式排布；所述矩形阵列中，每一行超构原子按“0”至“N
‑
1”的编号顺序周期性排列，每一列超构原子的编号相同；所述声学超构面纱能实现异常反射和无畸变透射波前。2.如权利要求2所述的声学超构面纱，其特征在于，在xyz坐标系中，z方向平面波入射所述声学超构面纱时反射波的角度满足：式中，θ
i
、θ
r
分别为入射角和反射角，λ0为空气中声波的波长，表示沿x方向反射相位梯度；所述相位梯度a为超构原子沿x方向的宽度。3.一种可配置伪装效应的声学超构面纱，其特征在于，包括编号分别为“0”、“1”、“2”、“3”、
…
、“N
‑
1”的N种超构原子，N为不小于4的正整数；所述编号为“0”、“1”、“2”、“3”、
…
、“N
‑
1”的超构原子的透射相位和透射率基本相同，反射相位在0～2π范围内以相同梯度分布；所述超构原子相互连接、呈矩形阵列式排布；所述矩形阵列中，N种编号的超构原子按“0”至“N
‑
1”的编号顺序由内向外依次排布，相邻两种超构原子之间的交界线构成同心圆，各超构原子到达目标焦距的反射相位基本相等；所述声学超构面纱能实现反射波聚焦和无畸变透射波前。4.如权利要求2所述的声学超构面纱，其特征在于，在xyz坐标系中，z方向平面波正入射下，用于产生反射波聚焦的不同位置的反射相位分布满足：式中，x和y分别为所述声学超构面纱上任意一点的横、纵坐标，λ0为空气中声波的波长，f为目标焦距。5.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：施锦杰，郭畅，赖耘，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：