实现水下声波定向隐身的声子功能结构和制作方法与流程

本发明涉及声学领域，尤其涉及一种实现水下声波定向隐身的声子功能结构和制作方法。

背景技术：

光学与声学隐身技术可以使物体躲避电磁波或声波的探测。2006年，英国帝国理工学院的J.B.Pendry教授首次提出了基于光学变换的隐身罩构造方法，相应的研究结果发表在了“科学”杂志上，并引领了对超材料的研究热潮。超材料具备天然材料所不具备的某些特性，如使波“绕过”材料表面实现声学隐身、光学隐身以及电磁波隐身等。隐身的关键是设计，包括设计某种亚波长级别的微结构单元以及这些单元的排列规则，并最终决定其物理特性(如介电常数、磁导率、体弹性模量和质量密度等)。

声隐身是在近十年来才开始引起人们的关注并开始进行研究的。这主要是由当前对潜艇的水下探测主要使用主/被动声纳，但被动声纳对目标定位时会产生测距信息不准的问题。此外，先进潜艇声隐身性能大幅提高，使得被动声纳的探测效果下降。因此，利用主动声纳定位成为探测潜艇并实施精确打击的重要手段。虽然超材料隐身在理论研究方面有较快进展，但一个瓶颈是，材料的性能严重受限于吸收损失。同时声学斗篷对声学结构设计和加工要求极为苛刻，实验验证方面进展较缓慢。因此科研人员提出了许多其它方法来实现声波的隐身，如利用声子晶体结构。

声子晶体(人工周期结构)是具有声子带隙的人造周期弹性介质结构。利用声波在不同周期结构材料中的传播规律，以及不同材料的组元及其结构对能带结构和带隙的调控机制，可以设计优化声子晶体以对声场形态进行调制，从而控制声波的传播和分布。通过设计结构梯度分布的声子晶体可以实现折射率的梯度变化，从而使声波绕开隐身区域传播并在一个特定方向上实现声隐身。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种实现水下声波定向隐身的声子功能结构和制作方法，加工简单。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种实现水下声波定向隐身的声子功能结构，包括：

铝合金基体；

所述铝合金基体上钻有按照平面正三角晶格周期排列的贯穿孔，所述贯穿孔沿Z轴方向贯穿所述铝合金基体。

所述铝合金基体的中间设置有沿Z轴方向贯穿所述铝合金基体的空腔，用于放置待隐藏目标。

所述空腔的直径小于或等于所述铝合金基体沿y轴方向的宽度的一半。

所述贯穿孔包括：正六边形孔洞；

所述正六边形孔洞的每个边连接有T字形孔洞。

所述铝合金基体沿X轴方向对称；

所述正六边形孔洞的大小沿Y轴方向呈梯度分布，所述正六边形孔洞的折射率梯度沿Y轴方向为双曲正割分布；

所述正六边形孔洞沿X轴方向呈大小一致分布，所述正六边形孔洞的折射率沿X轴方向均匀分布。

当隐身频率为25kHz时，所述铝合金基体的密度为ρ＝2.7g/cm³；所述铝合金基体的纵波波速与横波波速分别为c_l＝6.15km/s和c_t＝3.1km/s；

所述正六边形孔洞的晶格常数a＝20mm；所述铝合金基体在X轴方向上的长度L＝24a；

所述T字形孔洞的尺寸分别为：T字形孔洞的横孔至所述铝合金基体的单胞的边界的距离b＝0.0275a，T字形孔洞的横孔的长度e＝0.32a，T字形孔洞的横孔的宽度h＝0.06a和T字形孔洞的竖孔的宽度t＝0.05a；

所述正六边形孔洞的孔径d沿y轴的大小依次为0.5a,0.507a,0.526a,0.556a,0.594a,0.636a,0.68a。。

所述铝合金基体在Z轴方向的厚度为所述晶格常数的至少十倍。

一种实现水下声波定向隐身的声子功能结构的制作方法，其特征在于，包括：

选择一铝合金基体；

在所述铝合金基体上切割出按照平面正三角晶格周期排列的贯穿孔，所述贯穿孔沿Z轴方向贯穿所述铝合金基体。

所述的声子功能结构的制作方法，还包括：

在所述铝合金基体的中间切割出贯穿所述铝合金基体的空腔，用于放置待隐藏目标。

所述的声子功能结构的制作方法，还包括：

将切割出所述贯穿孔的至少两个所述铝合金基体粘合，使得粘合后的所述铝合金基体在z轴方向的厚度为晶格常数的至少十倍。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的结构只需在铝合金基体上钻孔得到，加工简单。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种实现水下声波定向隐身的声子功能结构的俯视图；

图2为本发明实施例提供的一种实现水下声波定向隐身的声子功能结构的立体示意图；

图3为图1中实现水下声波定向隐身的声子功能结构的单胞的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种实现水下声波定向隐身的声子功能结构的隐身效果模拟图；

图5为本发明实施例提供的一种实现水下声波定向隐身的声子功能结构的制作方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

图1为本发明实施例提供的一种实现水下声波定向隐身的声子功能结构的俯视图；图2为本发明实施例提供的一种实现水下声波定向隐身的声子功能结构的立体示意图；图3为图1中实现水下声波定向隐身的声子功能结构的单胞的示意图；图4为本发明实施例提供的一种实现水下声波定向隐身的声子功能结构的隐身效果模拟图；以下结合图1-图4描述。

所述的一种实现水下声波定向隐身的声子功能结构，包括：

铝合金基体11；

所述铝合金基体11上钻有按照平面正三角晶格周期排列的贯穿孔，所述贯穿孔沿Z轴方向贯穿所述铝合金基体。

所述铝合金基体11的中间设置有沿Z轴方向贯穿所述铝合金基体的空腔12，用于放置待隐藏目标。

所述空腔的直径小于或等于所述铝合金基体沿y轴方向的宽度的一半。

所述贯穿孔包括：正六边形孔洞13；

所述正六边形孔洞13的每个边连接有T字形孔洞14。

所述铝合金基体沿X轴方向对称；

所述正六边形孔洞的大小沿Y轴方向呈梯度分布，所述正六边形孔洞的折射率梯度沿Y轴方向为双曲正割分布；

所述正六边形孔洞沿X轴方向呈大小一致分布，所述正六边形孔洞的折射率沿X轴方向均匀分布。

当隐身频率为25kHz时，所述铝合金基体的密度为ρ＝2.7g/cm³；所述铝合金基体的纵波波速与横波波速分别为c_l＝6.15km/s和c_t＝3.1km/s；

所述正六边形孔洞的晶格常数a＝20mm；所述铝合金基体在X轴方向上的长度L＝24a；

所述T字形孔洞的尺寸分别为：T字形孔洞的横孔至所述铝合金基体的单胞的边界的距离b＝0.0275a，T字形孔洞的横孔的长度e＝0.32a，T字形孔洞的横孔的宽度h＝0.06a和T字形孔洞的竖孔的宽度t＝0.05a；

所述正六边形孔洞的孔径d沿y轴的大小依次为0.5a,0.507a,0.526a,0.556a,0.594a,0.636a,0.68a。

所述隐身频率与所述晶格常数a的大小是呈等比例变化；

T字形孔洞的横孔至所述铝合金基体的单胞的边界的距离b、T字形孔洞的横孔的宽度h、T字形孔洞的竖孔的宽度t的减小使得隐身频率降低，T字形孔洞的横孔的长度e的减小使隐身频率升高。

所述铝合金基体在Z轴方向的厚度为所述晶格常数的至少十倍。

以下描述实施例。

一种可以实现水下声波定向隐身的声子功能结构，由折射率呈梯度分布且钻有周期贯穿孔的铝合金材料制成。此周期结构为三角形周期排列，存在六个对称轴；等频率曲线呈现出接近各向同性的特征；

本发明是在铝基体上钻出梯度分布的贯穿孔并按照三角晶格排列而成。贯穿孔是由正六边形孔洞以及每个边上联通的“T”字形孔洞共同组成；

正六边形孔洞的大小呈梯度分布，且其对应的折射率也呈梯度分布；具体为：折射率梯度由正六边形孔洞的大小来控制；折射率梯度沿y轴为双曲正割分布，沿x轴为均匀分布。

结构与水的阻抗匹配度高，能够实现高透射率。

具体为：在声子功能材料能带结构图中，横坐标为波矢，纵坐标为频率。在确定隐身所需频率以后(频率需要在能带结构的第四条带上选取)，此频率所对应的波矢也确定了。当正六边形孔径变化时，此频率所对应的波矢也会发生变化。当波矢的大小沿y轴呈双曲正割分布时，折射率梯度也呈双曲正割分布。折射率与y坐标的关系式为：n(y)＝n₀sech(δy)(n₀为y＝0时的折射率)。其中，双曲正割分布的梯度指数δ由多孔板的长度L(沿x轴方向)决定，关系式为：δ＝π/L。

如图5所示，为本发明所述的一种实现水下声波定向隐身的声子功能结构的制作方法，包括：

步骤210，选择一铝合金基体；

步骤220，在所述铝合金基体上切割出按照平面正三角晶格周期排列的贯穿孔，所述贯穿孔沿Z轴方向贯穿所述铝合金基体。

所述的声子功能结构的制作方法，还包括：

步骤230，在所述铝合金基体的中间切割出贯穿所述铝合金基体的空腔，用于放置待隐藏目标。

所述的声子功能结构的制作方法，还包括：

步骤240，将切割出所述贯穿孔的至少两个所述铝合金基体粘合，使得粘合后的所述铝合金基体在z轴方向的厚度为晶格常数的至少十倍。

以下描述实施例。

一种可以实现水下声波定向隐身的声子功能结构的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：选择合适的材料参数和厚度的铝合金板；如本案例所选铝合金密度为ρ＝2.7g/cm³，纵波与横波波速分别为c_l＝6.15km/s和c_t＝3.1km/s。其材料参数并非完全固定，可以在较小的范围内进行变动。铝合金板厚按照水切割设备所能贯穿的板厚来选取(一般在80mm以内)。

步骤2：使用水切割的方法，在铝合金板上按照梯度设计要求切割出贯穿孔；单胞的截面几何尺寸如图3所示，晶格常数(相邻孔中心之间的距离)为a＝20mm。除正六边形孔径d以外，其余四个参数分别为b＝0.0275a，e＝0.32a，h＝0.06a和t＝0.05a。沿y轴方向孔径d的大小由设计隐身频率和板在x轴方向上的长度决定,孔径沿x轴方向没有变化。实施例中选取隐身频率为25kHz,板的长度为L＝24a，则正六边形孔径d沿y轴的大小依次为0.5a,0.507a,0.526a,0.556a,0.594a,0.636a,0.68a。其中，隐身频率与晶格常数a的大小是呈等比例变化的。其余四个参数的变化也会引起隐身频率的变化，如b,h,t的减小会造成隐身频率的降低，而e的减小会使隐身频率升高。图1和图2分别为整体构造图和三维构造图。图1和图2中心位置挖去的圆形空腔为隐身区域，空腔的直径不大于板宽度(沿y轴方向)的一半。

步骤3：将多孔铝合金板粘合起来。粘合前板面要打磨平整，涂胶要均匀，防止出现脱胶和粘合不牢。具体为：由于水切割对板厚有一定限制，平面应变问题要求在z轴方向的板厚达到十倍的晶格常数，因此需要将多层已加工好的多孔铝合金板粘合起来以满足厚度要求。此多孔板为二维声子功能结构。

本发明的有益效果是：

本发明通过引导声波的传播方向，从而可以让水下物体在某个方向上躲避声呐或其它超声仪器的探测,从而在一定频率范围内可以实现水下声波隐身，帮助潜艇等水下设备躲避主动声呐的探测；

本发明的结构与水的阻抗匹配度高，能够实现高透射率；

本发明的结构只需在铝合金基体上钻孔得到，加工简单。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。