声学透射超表面机构及其制作方法技术

本公开提供一种声学透射超表面机构及其制作方法，声学透射超表面机构，包括沿水平方向平行间隔设置的多个超表面单元；超表面单元被构造成立方体结构，超表面单元的内部设置有填充有空气的空气腔，适用于在超表面机构漂浮于水面的状态下形成空气层，以使入射波及透射波发生相位转变减弱对声波的反射。波发生相位转变减弱对声波的反射。波发生相位转变减弱对声波的反射。

【技术实现步骤摘要】
声学透射超表面机构及其制作方法


[0001]本公开的至少一种实施例涉及声波吸收
，更具体地，涉及一种声学透射超表面机构及其制作方法。

技术介绍

[0002]声波是在水和空气中通用的通信手段，可被应用于海洋探测及水下通信等领域中。在声波穿过水
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空气界面时，由于二者存在3600多倍的阻抗差异，因此，会导致阻抗失配现象。在普通场景下，往往只有极少量(例如，0.1％左右)的声波能量可穿过水
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空气界面，使得声波在水与空气间的跨介质传输存在巨大的挑战，如何实现水
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空气界面之间的声学匹配成为亟待解决的问题。
[0003]根据声学阻抗匹配理论，当在水空气界面处放置一个阻抗大小为空气阻抗与水阻抗乘积的平方根，长度为自身长度的1/4的均匀介质即可以实现水空气声波的高透射，这类材料很难在自然界找到，多采用人为制造形成。目前，人为制造的具有高透射效果的超表面结构一般由多个连续的超表面单元形成，但连续的超表面单元可实现高透射效果的入射角度范围较小，并且，由于连续设置的多个超表面单元之间存在相互影响，也可能导致超表面机构发生不可控的形变(如弯曲)，从而影响超表面机构的透射效果。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术中的上述以及其他方面的至少一种技术问题，本公开提供一种声学透射超表面机构及其制作方法，包括离散型设置的多个超表面单元，相较于连续型的多个超表面单元形成的超表面机构具有更好的透射效果。
[0005]本公开的实施例提供一种声学透射超表面机构，包括沿水平方向平行间隔设置的多个超表面单元；上述超表面单元被构造成立方体结构，上述超表面单元的内部设置有填充有空气的空气腔，适用于在上述超表面机构漂浮于水面的状态下形成空气层，以使入射波及透射波发生相位转变减弱对声波的反射。
[0006]根据本公开的实施例，声学透射超表面机构还包括衬底，多个上述超表面单元沿与上述衬底的延伸方向相正交的方向均匀间隔设置于上述衬底上。
[0007]根据本公开的实施例，上述衬底上均匀间隔设置有多个限位槽，上述超表面单元的下部嵌合于上述限位槽内。
[0008]根据本公开的实施例，相邻的两个上述超表面单元的中线之间的间距被构造成与上述超表面单元的高度相同。
[0009]根据本公开的实施例，上述超表面单元的高度被构造成上述超表面机构的工作频率的0.65倍，上述超表面单元的高度与宽度的比被构造成2:1。
[0010]根据本公开的实施例，上述空气腔被构造成上下对称和/或左右对称约束。
[0011]根据本公开的实施例，上述超表面单元包括采用环氧树脂材质制成。
[0012]本公开的实施例还提供一种声学透射超表面机构的制作方法，包括：基于需通过
水
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空气界面透射的声波设置超表面机构的工作频率，并计算声波的波长；依据上述声波的波长设置上述超表面机构的超表面单元的沿竖直方向延伸的截面的尺寸及相邻的两个上述超表面单元的中线的间距；针对每个上述超表面单元，迭代地利用拓扑优化对不同像素点赋予各自的材料参数，生成包含各上述像素点材料参数的初始参数矩阵，其中，上述像素点是由上述超表面单元包括沿竖直方向延伸的截面离散得到；针对每个上述初始参数矩阵，在与上述初始参数矩阵对应的超表面单元的透射声强满足预设声强阈值的情况下，将上述初始参数矩阵确定为目标参数矩阵；基于上述目标参数矩阵制备多个上述超表面单元；以及基于相邻的两个上述超表面单元的中线的间距间隔布置多个上述超表面单元，形成超表面机构。
[0013]根据本公开的实施例，上述针对每个上述超表面单元，迭代地利用拓扑优化对不同像素点赋予各自的材料参数，生成包含各上述像素点材料参数的初始参数矩阵，其中，上述像素点是由上述超表面单元包括沿竖直方向延伸的截面离散得到，包括：将上述超表面单元的沿竖直方向延伸的截面进行网格化处理，依据上述超表面单元的高度方向及宽度方向将上述超表面单元的沿竖直方向延伸的截面均匀划分为多个像素点；以及对于每个上述像素点赋予各自的材料参数建立包括材料参数的拓扑优化模型，以生成初始参数矩阵，其中，上述材料参数包括固体材料及气体材料；以及迭代地对上述初始参数矩阵中的每个上述像素点的单元的材料参数进行替换。
[0014]根据本公开的实施例，上述针对每个上述初始参数矩阵，在与上述初始参数矩阵对应的超表面单元的透射声强满足预设声强阈值的情况下，将上述初始参数矩阵确定为目标参数矩阵，包括：配置入射至上述超表面机构的入射声强，并获取每次迭代后的上述初始参数矩阵的由上述超表面机构透射的透射声强；以及直至上述初始参数矩阵对应的超表面单元的透射声强满足预设声强阈值的情况下，将上述初始参数矩阵确定为上述目标参数矩阵。
[0015]根据本公开提供的声学透射超表面机构及其制作方法，超表面单元的空气腔适用于在超表面机构漂浮于水面的状态下形成空气层，以使入射波及透射波发生相位转变减弱对声波的反射。并且，通过平行间隔设置的多个超表面单元形成离散型的声学透射超表面机构相较于连续型的声学透射超表面机构，可在更大入射角度范围内实现高透，并且由于超表面单元之间相互隔离，因此，相较于连续型的声学透射超表面机构不容易由于自重影响导向应力集中，降低了超表面单元的形变。进一步的，平行间隔设置的多个超表面单元还有具有更好的灵活性，适用于进行运输及装配，以防止超表面机构在搬移过程中由于部分超表面单元损坏导致的超表面机构的失效。
附图说明
[0016]图1是根据本公开的一种示意性的实施例的声学透射超表面机构的主视图；
[0017]图2是图1所示的示意性的实施例的超表面单元的尺寸的示意图；
[0018]图3是根据本公开的一种示意性的实施例的声学透射超表面机构的制造方法的流程图；
[0019]图4是图3所示的示意性的实施例的流程图中超表面单元的沿竖直方向延伸的截面网格化处理的示意图；
[0020]图5是基于本公开的实施例的声学透射超表面机构的声波在水
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空气界面透射的效果及超表面单元的振动模态图；
[0021]图6是是基于本公开的实施例的声学透射超表面机构的平面声源的在水
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空气界面透射的效果图；以及
[0022]图7是基于本公开的实施例的声学透射超表面机构及连续型的声学超表面机构与未配置超表面机构的声波的频响曲线。
[0023]所述附图中，附图标记含义具体如下：
[0024]1、超表面单元；
[0025]2、空气腔；
[0026]3、衬底；以及
[0027]4、限位槽。
具体实施方式
[0028]为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
[0029]在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种声学透射超表面机构，其特征在于，包括沿水平方向平行间隔设置的多个超表面单元(1)；所述超表面单元(1)被构造成立方体结构，所述超表面单元(1)的内部设置有填充有空气的空气腔(2)，适用于在所述超表面机构漂浮于水面的状态下形成空气层，以使入射波及透射波发生相位转变减弱对声波的反射。2.根据权利要求1所述的超表面机构，其特征在于，还包括衬底(3)，多个所述超表面单元(1)沿与所述衬底(3)的延伸方向相正交的方向均匀间隔设置于所述衬底(3)上。3.根据权利要求2所述的超表面机构，其特征在于，所述衬底(3)上均匀间隔设置有多个限位槽(4)，所述超表面单元(1)的下部嵌合于所述限位槽(4)内。4.根据权利要求1所述的超表面机构，其特征在于，相邻的两个所述超表面单元(1)的中线之间的间距被构造成与所述超表面单元(1)的高度大致相同。5.根据权利要求1至4中任一所述超表面机构，其特征在于，所述超表面单元(1)的高度被构造成所述超表面机构的工作频率的0.65倍，所述超表面单元(1)的高度与宽度的比被构造成2:1。6.根据权利要求1至4中任一所述超表面机构，其特征在于，所述空气腔(2)被构造成上下对称和/或左右对称约束。7.根据权利要求1至4中任一所述超表面机构，其特征在于，所述超表面单元(1)包括采用环氧树脂材质制成。8.如权利要求1至7中任一所述的声学透射超表面机构的制作方法，其特征在于，包括：基于需通过水
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空气界面透射的声波设置超表面机构的工作频率，并计算声波的波长；依据所述声波的波长设置所述超表面机构的超表面单元的沿竖直方向延伸的截面的尺寸及相邻的两个所述超表面单元的中线的间距；针对每个所述超表面单元，迭代...

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