可配置伪装效应的宽带声学超构面纱制造技术

本发明专利技术提出一种用于可配置伪装效应的宽带声学超构面纱，利用互易性原理和空间反转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，本发明专利技术还能实现超宽频谱范围无畸变透射波前，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。的伪装效果。的伪装效果。

【技术实现步骤摘要】
可配置伪装效应的宽带声学超构面纱


[0001]本专利技术涉及超构材料声呐面纱(声呐罩)领域，特别涉及一种在保证透射波前不变的情况下，可配置反射波前的宽带声学超构表面。

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用于可配置伪装效应的宽带声学超构面纱，利用互易性原理和空间反转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，本专利技术能实现超宽频谱范围无畸变透射波前，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。进一步本专利技术还公开了一种采用具有在超宽频谱范围无畸变透射波前和漫反射功能的宽带声学超构面纱制作的声呐罩，以及具有这种声呐罩的声呐。
[0005]本专利技术基于互易原理和空间反转操作提出了一种结构单元翻转的声学超构表面(也即声学超构面纱)，成功打破声学超构表面中反射相位和透射相位之间的关联性，实现
了透射波前无畸变和反射波前可配置的声学超构表面。其中互易性原理和空间反转保证了声学超构表面的透射在超宽频谱中无畸变，即透射波前和声学超构表面的结构单元的排列方式无关。而与此同时，此声学超构表面的反射可以通过改变结构单元的组成形式和排布方式来操纵，从而产生多种特殊的反射功能。
[0006]具体的，本专利技术公开一种宽带声学超构面纱，其包括多个结构单元；所述结构单元为超构原子，所述超构原子具体分为第一超构原子和第二超构原子，所述结构单元具体分为第一结构单元和第二结构单元，对应于第一超构原子和第二超构原子；或者，所述结构单元为超构原子阵列，所述结构单元具体分为由多个第一超构成原子阵列排布形成的第一结构单元以及由多个第二超构成原子阵列排布形成的第二结构单元；所述第二超构原子为第一超构原子沿z轴方向的镜像结构，所述第一和第二结构单元在预设中心工作频率的反射相位差为180
°
；所述宽带声学超构面纱的透射在第一频谱范围内中无畸变。
[0007]可选的，所述结构单元为超构原子阵列，第一结构单元和第二结构单元以矩形阵列形式随机排布；所述宽带声学超构面纱用于实现无畸变透射波前和漫反射。
[0008]可选的，所述结构单元为超构原子阵列，第一结构单元和第二结构单元以矩形阵列形式排布；所述矩形阵列中，每一行中第一结构单元和第二结构单元交替排布，每一列中均为第一结构单元或者第二结构单元；所述宽带声学超构面纱用于实现无畸变透射波前和双声束反射。或者，所述矩形阵列中，每一行和每一列中第一结构单元和第二结构单元均采用交替式排布；所述宽带声学超构面纱用于实现无畸变透射波前和四声束反射。
[0009]可选的，所述结构单元为超构原子；其中，第一超构原子和第二超构原子由内向外交替排布，交界线构成若干同心圆，相邻两个同心圆之间的的声程差满足：
[0010]其中，表示为i区到焦点的声程，i区表示由内向外的第i 个同心圆，r
i
为i区内边界半径，r0＝0表示同心圆的圆心，x
c
为焦距，λ为声波在空气中的波长；得到：所述宽带声学超构面纱用于实现在第一频谱范围内中无畸变透射波前以及反射波聚焦。
[0011]进一步，本专利技术还公开一种声呐罩，其采用本专利技术所述的具有漫反射功能的宽带声学超构面纱制作。
[0012]进一步，本专利技术还公开一种声呐，其具有上述声呐罩。
[0013]有益效果：
[0014]本专利技术公开的宽带声学超构面纱，在空气中或水下，既保证在超宽频谱(例如， 2000
‑
8000Hz)的范围内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，由此实现宽带声学超构面纱的伪装效应。
[0015]本专利技术具体提供了三种结构翻转宽带声学超构面纱，在实现透射波前无畸变的前提下，分别实现了三种特殊的反射，即漫反射、多声束反射和反射聚焦，并且，这三种反射功能的带宽分别为漫反射800Hz(5400
‑
6200Hz)、多声束反射1000Hz(5200
‑
6200Hz)、反射波聚焦2700Hz(4700
‑
7400Hz)。
[0016]本专利技术所述公开的宽带声学超构面纱结构简单，制作成本低，便于产业化推广应
用。
[0017]本专利技术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，可以保证宽频范围内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。
附图说明
[0018]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)互易性原理和(c)空间反转下的透射不变性示意图。
[0019]图2：(a)专利技术的超构面纱的3D示意图；(b)第一种超构原子的结构示意；(c)第二种超构原子的结构(d)“头”(“0”)的结构示意；(e)“尾”(“1”)的结构示意；(f)“0”和“1”的透射率和透射相位随频率的变化；(g)“0”和“1”的反射率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可配置伪装效应的宽带声学超构面纱，其特征在于，包括多个结构单元；所述结构单元为超构原子，所述超构原子具体分为第一超构原子和第二超构原子，所述结构单元具体分为第一结构单元和第二结构单元，对应于第一超构原子和第二超构原子；或者，所述结构单元为超构原子阵列，所述结构单元具体分为由多个第一超构成原子阵列排布形成的第一结构单元以及由多个第二超构成原子阵列排布形成的第二结构单元；所述第二超构原子为第一超构原子沿z轴方向的镜像结构，所述第一和第二结构单元在预设中心工作频率的反射相位差为180
°
；所述宽带声学超构面纱的透射在第一频谱范围内中无畸变。2.如权利要求1所述的宽带声学超构面纱，其特征在于，所述结构单元为超构原子阵列，第一结构单元和第二结构单元以矩形阵列形式随机排布；所述宽带声学超构面纱用于实现无畸变透射波前和漫反射。3.如权利要求2所述的宽带声学超构面纱，其特征在于，满足在平面波正入射下，所述宽带声学超构面纱的散射远场函数表示为：式中，θ为仰角，为方位角，m为结构单元编号，M为结构单元的总数量，i是虚部，k是波矢量；x
m
和y
m
分别是第m个块横、纵坐标；φ
m
为第m块初始相位，A
m
是第m块振幅；其中，在所述第一和第二结构单元的散射相位差为180
°
时，散射振幅A为1；所述结构单元的模式函数近似为4.如权利要求3所述的宽带声学超构面纱，其特征在于，所述宽带声学超构面纱的漫反散系数d小于10％；式中，I
max
为宽带声学超构面纱的漫反射最大分支强度，I
r
为宽带声学超构面纱参考超构表面的镜面反射的强度；所述宽带声学超构面纱参考超构表面为重复的第一结构单元或第二结构单元。5.如权利要求4所述的宽带声学超构面纱，其特征在于，所述第一频谱范围为2000
‑

【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：