一种能实现近完美透射的声学超表面结构单元制造技术

本发明专利技术公开了一种能实现近完美透射的声学超表面结构单元，包括两块平行排列的侧板状材料，两块侧板状材料相对的一面上对称设有若干齿状材料。声波在本发明专利技术的超表面结构单元的传播过程中，由传播波逐渐转化为准表面波，又由准表面波反向转化为传播波，由此实现了近完美透射，并且通过调节本发明专利技术的超表面结构单元中的可调参数，可以实现2π范围的全相位调控。可以实现2π范围的全相位调控。可以实现2π范围的全相位调控。

【技术实现步骤摘要】
一种能实现近完美透射的声学超表面结构单元


[0001]本专利技术涉及一种能实现近完美透射的声学超表面结构单元。

技术介绍

[0002]声学超表面分为透射型超表面、反射型超表面以及能同时调控透射声场和反射声场的全空间表面，是声场调控方向的重点课题之一。以透射型声学超表面为例，实现目标透射声场的步骤如下：(1)根据目标透射声场和入射声场推导出声学超表面需提供的突变相位分布；(2)根据组建声学超表面的超表面结构单元的宽度对这一突变相位分布进行离散化；(3)调节声学超表面中每一个超表面结构单元的几何参数来实现对应位置处的所需突变相位。由此可见，一个理想的透射型声学超表面结构单元应具备以下几点：(1)全透射；(2)能覆盖2π范围的全相位调控；(3)宽度足够小到能提供实现目标透射声场所需的空间分辨率。
[0003]现有的组建透射型声学超表面的典型结构单元有迷宫结构型、亥姆霍兹谐振型、薄膜结构型、压电材料型和五模式型。然而，这些结构都由于阻抗失配或结构本身的粘滞损耗而无法实现全透射。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种结构简单的能实现近完美透射的声学超表面结构单元。
[0005]本专利技术解决上述问题的技术方案是：一种能实现近完美透射的声学超表面结构单元，包括两块平行排列的侧板状材料，两块侧板状材料相对的一面上对称设有若干齿状材料。
[0006]上述能实现近完美透射的声学超表面结构单元，每块侧板状材料上分布的所有齿状材料整体呈锥形，即位于中间位置的齿状材料的长度最长，以中间位置向两端延伸齿状材料长度逐渐减小。
[0007]上述能实现近完美透射的声学超表面结构单元整体截面为矩形。
[0008]上述能实现近完美透射的声学超表面结构单元整体的宽度为0.2λ
‑
0.3λ，λ为入射声波的波长。
[0009]上述能实现近完美透射的声学超表面结构单元，所述齿状材料的长度可调。
[0010]上述能实现近完美透射的声学超表面结构单元，设置在背景媒质中，所述声学超表面结构单元的声学阻抗超过背景媒质的声学阻抗的100倍。
[0011]本专利技术的有益效果在于：本专利技术包括两块平行排列的侧板状材料，两块侧板状材料相对的一面上对称设有若干齿状材料。声波从声学超表面结构单元底部传播到中心位置时，声学超表面结构单元内的传播常数逐渐从k0增大到最大值。其中，k0为声波在背景媒质中的传播常数。与之对应，声波从声学超表面结构单元的中心位置向顶部传播时，传播常数从最大值逐渐减小为k0。也就是说，声波在本专利技术的超表面结构单元的传播过程中，由传播
波逐渐转化为准表面波，又由准表面波反向转化为传播波，由此实现了近完美透射，并且通过调节本专利技术的超表面结构单元中的可调参数，可以实现2π范围的全相位调控。
附图说明
[0012]图1为本专利技术的声学超表面结构单元的结构示意图。
[0013]图2为本专利技术的声学超表面结构单元的透射率和透射相位随可调参数w
N
的变化关系图。
[0014]图3为利用本专利技术进行声波负折射时，在入射角分别为θ
i
＝30
°
和θ
i
＝
‑
30
°
的情形下其入射声场和散射声场分布的仿真图。
[0015]图4为利用本专利技术进行声多点聚焦时，入射声场和散射声强分布的仿真图。
具体实施方式
[0016]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。
[0017]如图1所示，一种能实现近完美透射的声学超表面结构单元，包括两块平行排列的侧板状材料，两块侧板状材料相对的一面上对称设有若干齿状材料。
[0018]每块侧板状材料上分布的所有齿状材料整体呈锥形，即位于中间位置的齿状材料的长度最长，以中间位置向两端延伸齿状材料长度逐渐减小。
[0019]所述声学超表面结构单元整体截面为矩形。
[0020]声学超表面结构单元整体的宽度为0.2λ
‑
0.3λ，λ为入射声波的波长。
[0021]所述齿状材料的长度可调。
[0022]上述能实现近完美透射的声学超表面结构单元，设置在背景媒质中，所述声学超表面结构单元的声学阻抗超过背景媒质的声学阻抗的100倍。
[0023]图1中的几何参数设定为：超表面结构单元的宽度a＝25mm，侧板的厚度d
w
＝0.5mm，齿状材料的厚度t＝1mm，齿状材料的间距g＝2.1mm，齿状材料的最小长度w1＝0.25mm，侧板的长度即超表面结构单元的长度L＝311mm。齿状材料的最大长度w
N
为可调参数。需说明的是，图1中为了表述清晰，一块侧板状材料上分布的齿状材料的数量只有17个，而本专利技术的声学超表面结构单元的所有实施例中，其齿状材料的实际数量为101个。
[0024]如图2所示，展示了本专利技术的超表面结构单元的透射率和透射相位随可调参数w
N
的变化关系。可以看出，本专利技术的超表面结构单元的透射相位在几何参数w
N
的变化下可以实现2π范围的全相位覆盖。此外，在几何参数w
N
的同一变化范围内，本专利技术的超表面结构单元都能实现近完美透射。在对本专利技术的超表面结构单元的透射率和透射相位进行仿真计算和对由本专利技术的超表面结构单元组建的声学超表面，即本专利技术的所有实施例进行仿真计算时，都设定本专利技术的超表面结构单元的密度和弹性模量分别为8000kg/m3和160GPa。背景媒质为空气，设定其密度和弹性模量分别为1.2kg/m3和1.4
×
105Pa，入射声波的工作波长设定为100mm。
[0025]基于本专利技术的超表面结构单元组建不同相位轮廓的声学超表面，即(1)根据目标透射声场和入射声场推导出声学超表面需提供的突变相位分布；(2)根据组建声学超表面的超表面结构单元的宽度对这一突变相位分布进行离散化；(3)调节声学超表面中每一个超表面结构单元的可调参数来实现对应位置处的所需突变相位。可以实现不同的声场调控
功能，如声波负折射和声多点聚焦。
[0026]声波负折射：
[0027]如图3所示，为本专利技术的声学超表面结构单元组建的梯度超表面实现声波负折射的声场分布图。当声波以入射角θ
i
＝30
°
入射时，发生透射角θ
t
＝
‑
30
°
的透射；当声波以入射角θ
i
＝
‑
30
°
入射时，发生透射角θ
t
＝30
°
的透射。梯度超表面的透射行为由广义斯涅尔定律给定：
[0028][0029]其中，k0＝2π/λ0为空气的波数，λ0＝100mm为空气中的波长，θ
t
为透射角，θ
i
为入射角，为声学超表面的相位梯度。一个周期长本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能实现近完美透射的声学超表面结构单元，其特征在于：包括两块平行排列的侧板状材料，两块侧板状材料相对的一面上对称设有若干齿状材料。2.根据权利要求1所述的能实现近完美透射的声学超表面结构单元，其特征在于：每块侧板状材料上分布的所有齿状材料整体呈锥形，即位于中间位置的齿状材料的长度最长，以中间位置向两端延伸齿状材料长度逐渐减小。3.根据权利要求1所述的能实现近完美透射的声学超表面结构单元，其特征在于：声学超表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：鞠芳芳，邹孝，钱盛友，
申请(专利权)人：湖南师范大学，
类型：发明
国别省市：