本发明涉及一种具有强反射特性的水声材料及其应用，属于水声材料设计与水声传播控制技术领域。
背景技术
声波从一种介质入射到另一种介质时，由于阻抗不匹配会出现能量反射，这一物理现象称为波的反射。声波反射在生活与科学研究中均有重要应用：高速路旁的隔音板通过将噪声反射实现阻隔；利用固体对空气声的强反射，采用固体薄板即可设计二维平面空气声波导。在上述隔声与波导应用中，材料对声波的反射强弱是影响设计的关键因素，材料反射越强则所需材料越薄，更符合工程实际需求。
阻抗(z)是声学介质的基本声学参数，定义为密度(ρ)与声速(c)的乘积，即z＝ρc，可以刻画两相介质传声的匹配程度。声波在两相介质界面的反射强弱由阻抗差异决定，两相介质阻抗差异越大，声波在界面处产生的反射就越强，反之则越弱。金属、陶瓷等常规固体与空气的声速大致相当，最多相差一个数量级，但其密度比空气高3个量级，使得常规固体阻抗比空气大3个数量级，常规固体与空气的界面反射非常强，厘米厚度固体板即理想地反射空气声，因此，常规固体可看作对于空气声的强反射材料。然而，常规固体的密度、声速最多比水大1个量级，即常见固体与水的阻抗仅相差1个量级，所以常规固体很难实现对水声的强反射，除非采用非常厚重的固体板，但这严重限制了其在实际工程中的应用。尽管通过固体等高阻抗材料很难实现水声强反射，但可以通过空气等低阻抗材料实现水声强反射。比如，空气的阻抗较水小3个量级，较薄空气层即可实现良好水声阻隔，然而，低阻抗也导致了空气刚度极低的致命缺陷，几乎不具备任何承载能力，很难适用于具有承载要求的水声强反射需求。由于低阻抗与高刚度的矛盾在各向同性材料中难以避免，目前还未研究出对水声具有强反射特性的水声材料。
技术实现要素：
针对目前缺少水声强反射材料的问题，本发明提供了一种强反射水声材料，该水声材料具有低阻抗、高刚度特性，同时对宽频、斜入射声波有效；而且本发明所述的水声材料在阻隔水下噪声、低频水声高指向性声源以及声压探测方面具有很好的应用前景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
对于各向同性材料，低阻抗与高刚度之间存在不可回避的矛盾。然而，通过理论研究发现，该矛盾在各向异性固体材料中则可能避免。从各向异性固体材料界面传声问题入手，通过激发各向异性固体材料的剪切波可以对阻抗进行调节，实现极低的等效声阻抗，从而达到强反射的目的，而且这种调节不会对各向异性固体材料的刚度产生显著的影响，满足了低阻抗与高刚度的要求。下面介绍具体的理论分析过程：
如图1所示，界面左侧区域为水，界面右侧区域为各向异性固体材料，各向异性固体材料主轴与界面夹角θ≠0°和90°；平面波从左侧区域正入射至界面，入射波将激发各向异性固体材料中的剪切波与纵波，波矢方向与界面法向一致，一部分声能量在界面反生反射，另一部分则透射入各向异性固体材料，考虑界面连续性条件可求得声压反射系数，
式中，r为反射系数，zs为各向异性固体材料的等效声阻抗，ρ0为水的密度，c0为水的声速，ρs为各向异性固体材料的密度，ct为剪切波的波速，cl为纵波的波速，vl为纵波极化参数，g为调节因子。
由上述关系式可知，等效声阻抗zs不仅与纵波阻抗ρscl相关，同时与调节因子g相关，即与激发的剪切波相关。对于各向同性固体材料，无论其主轴与界面是否平行，各向同性固体材料仅被激发出纯纵波模态vl＝0，调节因子g恒为1，等效声阻抗zs仅由纵波阻抗决定。对于各向异性固体材料，其主轴与界面平行时，各向异性固体材料同样只激发出纯纵波模态，等效声阻抗只由纵波阻抗决定；而主轴与界面不平行时，各向异性固体材料的剪切波模式也将被激发，此时纵波也不再是纯纵波模式vl≠0，调节因子g不再恒为1。因此，通过设计各向异性固体材料的剪切波特性可以调节反射系数。
根据以上分析结果，调节各向异性固体材料属性使得g极小，即可实现强反射效果。具体做法：要求ct/cl的比值尽可能小，同时要求纵波极化参数vl尽可能大，也就是要求各向异性程度足够大，使得传播的纵波极化程度更高。尽管改变g可以使得各向异性固体材料的等效声阻抗极低，但其刚度受到的影响确较小，其在界面法向刚度大小为
综上所述，兼具低阻抗和高刚度的强反射水声材料则需要满足如下条件：
(1)所述水声材料中剪切波波速远小于纵波波速，ct/cl＜1/5；
(2)所述水声材料刚度具有强各向异性，ky/kx＞10，kx为所述水声材料在x主轴方向的刚度，ky为所述水声材料在y主轴方向的刚度；
(3)所述水声材料中主轴方向与界面不平行，θ≠0°和90°，优选
所述强反射水声材料是由六边形单胞构成的蜂窝状五模材料，所述单胞由y形杆和空腔组成，y形杆由一根竖杆和左、右对称分布的两根斜杆在单胞内相交构成，竖杆以及两根斜杆不相交的另一端分别位于六边形中三个不相邻的顶点；其中，所述五模材料中各参数满足如下关系式，
θ≠0°和90°；
q＝ml；
式中，l为斜杆的长度，m为竖杆的长度，t为竖杆以及斜杆的厚度，β为竖杆的延长线与斜杆之间的夹角。
一种低频高指向性声源组件，所述组件包括换能器和弧形反射板，所述弧形反射板是采用本发明所述水声材料制成的；
换能器放置在弧形反射板的焦点位置，换能器产生的声波经弧形反射板的弧面反射后形成高指向性平面声波，高指向性平面声波直接入射测试目标；其中，高指向性平面声波的指向性由弧形反射板的半径与换能器产生的声波波长决定，一般弧形反射板的半径与声波波长比值不小于5。
一种声压探测组件，所述组件包括水听器和弧形反射板，所述弧形反射板是采用本发明所述水声材料制成的；
水听器放置在弧形反射板的焦点位置，到达弧形反射板弧面的声波经过弧面反射至焦点位置，增强焦点处水听器接收的声波信号强度。声波信号增强程度与弧形反射板的半径有关，半径越大，达到弧形反射板的声波越多，则反射至焦点的声波也越多，则声波信号增强程度越大。在实际应用中，根据待测声波的强度，合理设置弧形反射板的尺寸。
有益效果
本发明所述的强反射水声材料具有低阻抗、高刚度特性，同时对宽频、斜入射声波有效，能够满足深水、高压环境下的水声强反射需求；而且本发明所述的水声材料在阻隔水下噪声、低频水声高指向性声源以及声压探测方面具有很好的应用前景。
附图说明
图1为各向异性固体材料与水界面传声示意图。
图2为实施例1中所述强反射水声材料与等厚钢板的水声反射系数对比图。
图3为本发明所述五模材料的单胞构形示意图。
图4为实施例2中所述五模材料以及等厚钢板对水声阻隔效果的对比示意图。
图5为实施例3中所述低频水声高指向性声源组件的应用示意图。
图6为实施例4中所述声压探测组件的应用示意图。
其中，1-弧形反射板，1-1-竖杆，1-2-斜杆，1-3-空腔，2-换能器，3-测试目标，4-水听器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
实施例1
分别采用钢板、本发明所述强反射水声材料制备的强反射板模拟频率范围为0～700hz，钢板以及强反射板的厚度均为21mm，水中波长至少是板厚的119倍。水的密度和体积模量为ρ0＝1000kg/m3和k0＝2.25gpa，钢板的密度、杨氏模量和泊松比分别为ρsteel＝7800kg/m3、esteel＝220gpa和vsteel＝0.28，强反射板的密度、刚度及其五模特征参数分别为ρs＝0.5ρ0、kx＝0.1k0、ky＝10k0、π＝0.999、μ＝0.001。本实施例中所述强反射水声材料的主轴与界面夹角θ＝15°，激发的剪切波与纵波的波速比为ct/cl≈0.015，纵波极化参数为vl＝-1.405，通过以上参数可将纵波阻抗降低两个量级，从而获得远低于水的等效声阻抗。其中，π、μ是定义的两个五模特征参数，具体定义详见下式，式中kx为材料在x主轴方向的刚度，ky为材料在y主轴方向的刚度，kxy为材料两个主方向的耦合刚度，gxy为材料的剪切模量；
从图2中所示声压反射系数可知，钢板几乎对水声完全透明，而强反射板的反射系数非常接近1。例如，在频率为50hz时，水中波长约为板厚的1400倍左右，强反射板的反射系数高达|r|＝0.993，极端亚波长强反射在传统材料中几乎不可能实现。
实施例2
本实施例所述的强反射水声材料是由六边形单胞构成的蜂窝状五模材料，所述单胞由y形杆和空腔1-3组成，如图3所示；空腔1-3中填充空气或真空，y形杆由一根竖杆1-1和左、右对称分布的两根斜杆1-2在单胞内相交构成，竖杆1-1以及两根斜杆1-2不相交的另一端分别位于六边形中三个不相邻的顶点；其中，l为斜杆1-2的长度，m为竖杆1-1的长度，t为竖杆1-1以及斜杆1-2的厚度，β为竖杆1-1的延长线与斜杆1-2之间的夹角；
本实施例所述强反射水声材料的具体参数为：t＝0.4mm，β＝74.2°，m＝2mm，l＝8mm；整个结构以钢作为基体材料，其等效密度、刚度与五模特征参数为：ρs＝0.86ρ0，kx＝0.216k0，ky＝8.879k0，π＝0.982，μ＝0.057。将六边形单胞结构沿晶格矢量a1、a2平移可以构成五模材料，五模材料的主轴x方向与界面一致时，五模材料中只能激发出纵波，其声阻抗与水大致相当zs＝0.431ρ0c0；五模材料的主轴与界面存在夹角θ＝28.5°时，纵波极化参数为vl＝-1.017，其剪切波速与纵波波速之比为ct/cl≈0.063，可以实现强反射效果。
分别对主轴与界面平行的五模材料、主轴与界面夹角为28.5°的五模材料以及等厚钢板对水声阻隔效果进行模拟，三种薄板厚度均为21mm，结果详见图4；其中，图4(a)是主轴与界面夹角为28.5°的五模材料的模拟结果，图4(b)是等厚钢板的模拟结果，图4(c)是主轴与界面平行的五模材料的模拟结果。
入射声压为高斯脉冲波束exp(-(π(t-tc)/3000)2)×cos(2πfc(t-tc))，可以验证主轴与界面夹角为28.5°的五模材料的宽频与宽角度入射有效性；其中，高斯脉冲中心频率为fc＝1khz，幅值半带宽为0.6khz，数值模拟在comsol软件中完成。
从模拟结果可以得知，在波长比板厚大71倍的低频水声入射时，主轴与界面夹角为28.5°的五模材料能良好阻隔入射声波(图4(a))，而入射波几乎完全透过等厚钢板(图4(b))以及主轴与界面平行的五模材料(图4(c))，从而证实了五模材料主轴偏转的重要性。以上结果验证了提出的水声阻隔机理，同时表明，本发明所述的强反射水声材料具有宽频、宽角度适应性。
实施例3
低频高指向性声源是大尺度声学模型验证必须设备，通过高指向声波直接入射测试目标3，可以避免通过水面、水底传输给实验带来干扰。现有低频高指向性声源主要采用换能器阵列实现，通过多个换能器2同时发声来产生近似平面波，存在换能器2数量多、成本巨大、指向性不够等缺点。
基于本发明所述的强反射水声材料，本实施例提出了一种低频高指向声源组件，所述组件包括换能器2和弧形反射板1，所述弧形反射板1是采用本发明所述水声材料制成的；
换能器2放置在弧形反射板1的焦点位置，换能器2产生的声波经弧形反射板1的弧面反射后形成高指向性平面声波，高指向性平面声波直接入射测试目标3，如图5所示；其中，高指向性平面声波的指向性由弧形反射板1的半径与换能器2产生的声波波长决定，一般弧形反射板1的半径与声波波长比值不小于5，在实际应用中，根据对于声波的高指向性要求，可以合理设置弧形反射板1的尺寸。本实施例所述的弧形反射板1具有较强刚度，适用于深水环境测试需求，且具有换能器2少、成本低等优点。
实施例4
声波可以在水中远距离传播，是水下通讯与导航的重要手段，但在传播很远距离后声压可能降低至探测灵敏度以下，无法实现对声波的探测。
基于本发明所述的强反射水声材料，本实施例提出了一种声压探测组件，所述组件包括水听器4和弧形反射板1，所述弧形反射板1是采用本发明所述水声材料制成的；
水听器4放置在弧形反射板1的焦点位置，到达弧形反射板1弧面的声波经过弧面反射至焦点位置，增强焦点处水听器4接收的声波信号强度，如图6所示。声波信号增强程度与弧形反射板1的半径有关，半径越大，达到弧形反射板1的声波越多，则反射至焦点的声波也越多，则声波信号增强程度越大，越有利于实现对远距离弱声波的探测，提高水听器4的探测灵敏程度，增强水声远距离通讯与探测能力。在实际应用中，根据待测声波的强度，合理设置弧形反射板1的尺寸。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。