利用声超构材料实现低频声波自准直异常透射的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及利用声学超构材料，在辐射器尺度远小于声波波长的情况下，实现低 频声波的自准直异常透射，即获得具有极高空间指向性的透射声束的方法。 二、
【背景技术】
[0002] 由于衍射效应的存在，声束在传播过程中会不断发散，对于低频声波尤为如此，然 而这种全指向性传输方式并不适用于所有场合。实际应用中，实现具有特定指向性的辐射 图样，不仅在于能够节省传输的能量，同时也有利于传输信号的保密性。研究与实现非衍 射波束、低衍射波束或者高指向性波束，是一个非常重要而且有意义的课题，并且得到了广 泛的关注。如著名的艾瑞波束，艾瑞声波在传输中能抑制衍射效应，是一种重要的非衍射 声束。但是，产生这样的波束，对于辐射器的阵列设计要求非常高，而且，理论上，此波束的 传播距离较近，难以满足长距离传输要求。在不同领域中，为了获得较好的定向传输特性， 学者们研究了许多不同的方法。在光学中，通过在金属表面刻蚀特定结构，当满足一定条件 时，可在金属表面激发出等离激元，并经由它的介入从而实现具有超强指向性的异常透射 光波。为了在声学中实现超指向性波束，较为常见的方法是利用声波的非线性效应，进行声 参量发射阵的设计，来得到差频波的低频超指向性传输特性。不过这种方法所产生的差频 波的效率非常低，是以损失巨大能量的代价来换取低频声波的指向性传输。近年来的另一 研究热点是通过设计声子晶体来实现声波的自准直传输，但这些设计都是以复杂的设计结 构作为代价的，这类设计的方法其辐射器的尺度，都是和波长在相同数量级，难以实现辐射 器的小型化或微型化。同时随着频率的降低，其指向性也将变得越来越差。 三、
【发明内容】
[0003] 本发明的目的：利用声学超构材料，在辐射器尺度远小于声波波长的情况下，实现 低频声波的自准直异常透射，即获得具有极高空间指向性的透射声束。
[0004] 本发明的技术方案：利用声超构材料实现低频声波自准直异常透射的方法，所述 声超构材料为级联的二维亥姆赫兹共鸣器和叠加在其上的矩形声栅，采用两块级联多个亥 姆赫兹共鸣器和矩形声栅的钢板，两块级联多个亥姆赫兹共鸣器钢板中间设有细缝；细缝 的宽度为2±0. 5毫米；两块级联多个亥姆赫兹共鸣器的钢板的总长度为20厘米以上。
[0005] 进一步的，级联多个亥姆赫兹共鸣器钢板的厚度为25±1毫米；每个亥姆赫兹共 鸣器的周期长度为6±0. 5毫米，其颈部的长度和宽度均为1 ±0. 04毫米，亥姆赫兹共鸣器 腔体的长度与宽度分别为6±0. 04晕米和5±0. 04晕米；矩形声栅的周期长度为27晕米， 其长度和宽度分别为3±0. 04和2±0. 04毫米。此结构适用的声波工作频率点为5. 764kHz。
[0006] 需要说明的是，调整每个亥姆赫兹共鸣器和矩形声栅结构参数，可以改变声波工 作频率点。
[0007] 通过在钢板表面刻蚀多个级联的亥姆霍兹共鸣器，可以激发出较强的声表面波， 其色散曲线非常类似于光学中的表面等离激元。而矩形声栅的介入，则可加入额外的动量， 当取值满足一定条件时，将可形成具有较大波矢的集聚性声表面波。
[0008] 在光学中，当满足一定条件时，经由表面等离激元的介入将可得到超强指向性的 异常透射光束。与此类似，一旦形成集聚性声表面波，在其作用下将获得具有超高空间指向 性的透射声波，即自准直异常透射声束。
[0009] 图1为实现自准直异常透射的声超构器件样品结构的俯视图。
[0010] 光学中，表面等离激元SPP是由于金属表面存在的自由电子在其平衡位置附近的 振动才产生并传输的。在其作用下，可从亚波长狭缝中获得具有超高指向性的异常透射光 束。表面等离激元能被激发除了要满足波矢匹配条件外，还必须满足存在自由电子和振动 回复力这两大前提条件。
[0011] 在本发明的声学方案中，将亥姆霍兹共鸣器颈部的一小段空气柱看作可在自身平 衡位置附近振动的活塞，而亥姆霍兹共鸣器的腔体内的空气负责提供振动所需回复力，此 时激发形成的集聚性声表面波具有类似于光学中等离激元的色散曲线，在其作用下，我们 可从亚波长尺度的狭缝中产生具有超强指向性的透射声场。利用级联亥姆霍兹共鸣器产生 声表面波，同时通过矩形声栅提供额外动量，使得满足波矢匹配条件激发出集聚性声表面 波并最终获得自准直异常透射声束，是本发明的基本原理。
[0012] 根据传统波动理论，由于衍射效应的存在，普通透射声束并无明确的空间指向性， 而一些具有很强指向性的辐射图样如偶极子，其准直效果维持的传输距离较短，通常与对 应的声波波长在同一数量级内。在本发明中，我们利用集聚性声表面波来产生自准直声束， 其在很远的传输范围（可以达到相应低频声波波长的20倍以上）内均能极大地抑制衍射 效应，且几乎无旁瓣存在，因而具有很好的实用化前景。
[0013] 获得自准直异常透射声束的关键是要获得集聚性声表面波。通常情况下，由于其 色散曲线中对应的波矢大于自由空间中的传输波矢，要激发出此类声表面波是比较困难 的。本发明利用引入特殊的声学单元器件（本实验中为级联二维亥姆赫兹共鸣器和矩形声 栅）来调节声表面波波矢并使之满足波矢匹配条件，从而激发出集聚性声表面波并获得自 准直异常透射声束。
[0014] 本发明的有益效果是，与现有技术相比具有如下的特点，利用级联二维亥姆霍兹 共鸣器来产生强声表面波，同时利用矩形声栅来提供额外动量，使之满足波矢匹配条件，从 而激发出集聚性声表面波。与光学中的表面等离激元类似，在其作用下，将可从一亚波长尺 度的狭缝中获得具有超强空间指向性的辐射图样，即自准直异常透射声束。所得超强指向 性效果的声波的波长，可以远大于结构的晶格常数，这使得器件的微型化成为可能。获得的 辐射图样的指向性非常好，其在很远的传输范围（可以达到相应低频声波波长的20倍以 上）内均能极大地抑制衍射效应，且几乎无旁瓣存在，因而具有很好的实用化前景。此方法 可推广应用到电磁波情况下的高增益天线设计及声学中的超分辨率透镜成像。 四、
【附图说明】
[0015] 图1为本发明级联的二维亥姆赫兹共鸣器和叠加在其上的矩形声栅结构图。
[0016] 图2本发明实施例的参数进行数值计算所获得的声传输指向性图。 五、 具体实现方案
[0017] 本发明的结构样品图如图1所示。图1为实现高辐射效率的准直辐射场的亥姆赫 兹共鸣器并叠加矩形声栅声学超构器件结构的俯视图。声学超构器件为一中间开有单细缝 的两边级联上多个亥姆赫兹共鸣器3并叠加矩形声栅2的钢板1。细缝4的宽度为2毫米； 两块级联多个亥姆赫兹共鸣器和矩形声栅2的钢板1的总长度为20厘米以上，钢板的厚度 为25毫米；亥姆赫兹共鸣器3的周期长度为6毫米，其颈部的长度和宽度均为1毫米，亥姆 赫兹共鸣器腔体的长度与宽度分别为6毫米和5毫米；矩形声栅3的周期长度为27毫米， 其长度和宽度分别为3和2毫米。图1中箭头为声表面波透过本发明器件的方向。
[0018] 为了验证发明的有效性以及可行性，进行了数值计算。图2数值计算所获得的图1 声学超构器件样品指向性图，即自准直异常透射声束的声场强度的空间分布图。从图中可
以看出，在集聚性声表面波的作用下透射声束在很远的传输范围 极大地抑制了衍射效应，即保持了超强的空间指向性或准直效果。
[0019] 通过在钢板表面刻蚀多个级联的亥姆霍兹共鸣器3,可以激发出较强的声表面波， 其色散曲线非常类似于光学中的表面等离激元。而矩形声栅2的介入，则可加入额外的动 量，当取值满足一定条件时，将可形成具有较大波矢的集聚性声表面波。在光学中，当满足 一定条件时，经由表面等离激元的介入将可得到超强指向性的异常透射光束。与此类似，一 旦形成集聚性声表面波，在其作用下将获得具有超高空间指向性的透射声波，即自准直异 常透射声束。利用级联亥姆霍兹共鸣器，来激发出金属表面的集聚性声表面波。实现此效 果的声波的波长，可以远大于结构的晶格常数，这为器件的小型化成为可能。
[0020] 获得的声场具有超强空间指向性，几乎无旁瓣，且具备超远距离传输能力
[0021] 本发明方法可推广应用到电磁波情况下的高增益天线设计及声学中的超分辨率 透镜成像。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，本发明所述技 术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更改和润饰。因 此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
【主权项】
1. 利用声超构材料实现低频声波自准直异常透射的方法，其特征是所述声超构材料 为级联的二维亥姆赫兹共鸣器和叠加在其上的矩形声栅，采用两块级联多个亥姆赫兹共 鸣器和矩形声栅的钢板，两块级联多个亥姆赫兹共鸣器钢板中间设有细缝；细缝的宽度为 2±0. 5毫米；两块级联多个亥姆赫兹共鸣器的钢板的总长度为20厘米以上。2. 根据权利要求1所述的利用声超构材料实现低频声波自准直异常透射的方法，其特 征是级联多个亥姆赫兹共鸣器钢板的厚度为25±1毫米；每个亥姆赫兹共鸣器的周期长度 为6±0. 5毫米，其颈部的长度和宽度均为1 ±0. 04毫米，亥姆赫兹共鸣器腔体的长度与宽 度分别为6±0. 04晕米和5±0. 04晕米；矩形声栅的周期长度为27晕米，其长度和宽度分 别为3±0. 04和2±0. 04毫米；上述声超构材料结构适用的声波工作频率点为5. 764kHz。3. 根据权利要求1所述的利用声超构材料实现低频声波自准直异常透射的方法，其特 征是调整每个亥姆赫兹共鸣器和矩形声栅结构参数，改变声波工作频率点。
【专利摘要】利用声超构材料实现低频声波自准直异常透射的方法，所述声超构材料为级联的二维亥姆赫兹共鸣器和叠加在其上的矩形声栅，采用两块级联多个亥姆赫兹共鸣器和矩形声栅的钢板，两块级联多个亥姆赫兹共鸣器钢板中间设有细缝；细缝的宽度为2±0.5毫米；两块级联多个亥姆赫兹共鸣器的钢板的总长度为20厘米以上。实现自准直异常透射效果，所得异常透射声束能在很远传输距离内保持准直效果。
【IPC分类】H01Q15/02, H01Q19/06
【公开号】CN105098370
【申请号】CN201510562688
【发明人】全力, 钱枫, 刘晓宙
【申请人】南京大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年9月7日