一种具有梯度变化的二维棋盘声波调控超表面结构

1.本发明属于声学超表面技术领域，具体为一种具有二维梯度变化的棋盘声波调控超表面结构。


背景技术：

2.声学超表面于2013年被提出，通过在结构表面引入一个空间变化的相位突变，设计具有相位突变的单元结构，入射声波将产生异常折射/反射现象。声学超表面打破传统超材料的限制，可以在很小的尺寸上实现声波调控，具有十分巨大的优势，并能适用各种各样的应用，例如声聚焦、完美声吸收、声隐身、声漩涡的产生、声全息成像、超薄扩散体以及声波偏转等等。在以往的声学超表面的设计中，人工结构单元通常都是由空间折叠、迷宫结构活五模结构等构成，结构形式相对复杂，限制了超表面的实际应用。如何设计出结构简单，且对声波易于操控的超构表面，有着十分重要的意义。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中的上述问题，一种具有二维梯度变化的棋盘声波调控超表面结构，可通过调整填充材料和窄井梯度灵活快速地对声波进行调控。
4.该棋盘超表面结构是由若干个填充不同材料的窄井且窄井深度遵循梯度变化规律排列组成的。在超构表面窄井单元尺寸远小于声波波长的情况下，通过调整窄井的填充材料和梯度几何参数来改变超构表面的相位，赋予每个窄井面新的附加相位，从而实现对声波的调控。
5.超构结构为长宽l、厚l2表面凹槽的长方体结构，该结构由刚制成。窄井单元边长为d0，窄井单元周期长为d，梯度为g，窄井单元结构按照水平排列方式构成超表面。窄井结构部内填充材料可以为水、空气以及橡胶类介质等。一组窄井的相位周期为2π，每个窄井其相位遵循公式：
[0006][0007]
其中：为入射相位；为反射相位；为背景介质的波长；hi为第i个窄井的深度。
[0008]
进一步地，每组排列的窄井结构其深度按照梯度线性变化，第一个窄井和最后一个窄井深度满足：
[0009][0010]
其中：c为背景介质的声速；f为入射频率。
[0011]
进一步地，超构表面的声波调控满足公式：
[0012]
θr＝arcsin(sinθ
i-2g)
[0013]
其中：θr为超构表面的声波反射角；θi为超构表面的声波入射角；g 为窄井梯度。
[0014]
本发明的有益效果：
[0015]
本发明与现有声波调控的超构结构而言，其制备简单，可以通过调整窄井填充材料和窄井梯度灵活快速地对声波进行调控；超构表面与背景介质阻抗不匹配，减少结构除凹槽部分外的声散射影响，使得声波调控的结果遵循广义snell定律。
附图说明
[0016]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]
图1具有二维梯度变化的棋盘声波调控超表面结构示意图；
[0018]
图2具有二维梯度变化的一维棋盘声波调控超表面结构x-z剖面示意图；
[0019]
图3超表面声波调控原理示意图；
[0020]
图4f＝8000hz时垂直入射声波背景下的外场压力图；
[0021]
图5f＝8000hz时垂直入射声波背景下的外场压力指向性x-z平面图；
[0022]
图6f＝2000hz时30
°
斜入射声波背景下的外场压力图；
[0023]
图7f＝2000hz时30
°
斜入射声波背景下的外场压力指向性x-z平面图；
[0024]
图8f＝2000hz时垂直入射到橡胶材质窄井的声学超表面背景下的外场压力图；
[0025]
图9f＝2000hz时垂直入射到橡胶材质窄井的声学超表面的外场压力指向性x-z平面图；
[0026]
图10二维梯度变化下棋盘声波调控超表面结构示意图；
[0027]
图11二维梯度变化下f＝3000hz时垂直入射声波背景下的外场压力图；
[0028]
图12二维梯度变化下f＝3000hz时垂直入射声波背景下的外场压力指向性x-z平面图。
具体实施方式
[0029]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
[0030]
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
[0031]
参照图1-图11，本发明提供了一种具有二维梯度变化的棋盘声波调控超表面结构，该棋盘超表面结构是由若干个填充不同材料的窄井且窄井深度遵循梯度变化规律排列组成的。在超构表面窄井单元尺寸远小于声波波长的情况下，通过调整窄井的填充材料和梯度几何参数来改变超构表面的相位，赋予每个窄井面新的附加相位，从而实现对声波的调控。超构结构为长宽l、厚l2表面凹槽的长方体结构，该结构由刚制成。窄井单元边长为d0，窄井单元周期长为d，梯度为g，窄井单元结构按照水平排列方式构成超表面。窄井结构部内填充材料可以为水、空气以及橡胶类介质等。一组窄井的相位周期为2π，每个窄井其相
位遵循公式：其中：为入射相位；为反射相位；为背景介质的波长；hi为第i个窄井的深度。每组排列的窄井结构其深度按照梯度线性变化，第一个窄井和最后一个窄井深度满足：其中：c为背景介质的声速；f为入射频率。进一步地，超构表面的声波调控满足公式：θr＝arcsin(sinθ
i-2g)，其中：θr为超构表面的声波反射角；θi为超构表面的声波入射角；g为窄井梯度。
[0032]
实施例1：
[0033]
当声波频率f＝8000hz，背景介质为水，声波垂直入射到声学超表面上，超表面几何参数为长宽l＝0.62m，厚l2＝0.1m，窄井边长d0＝0.03m，窄井周期d＝0.065m，梯度gx＝0.1723，共有9*9个窄井，窄井深度从0.005m满足线性梯度条件增长到0.095m，利用仿真软件进行声场调控计算。
[0034]
图4为f＝8000hz时垂直入射声波背景下的外场压力图，图5为f＝ 8000hz时垂直入射声波背景下的外场压力指向性x-z平面图。由图4和图5 可以看出，当声波垂直入射到超构表面，反射声波明显发生了偏转。根据snell 定律，反射角vr与入射角相等，理论上的反射角为0
°
，仿真结果不等于理论反射角，因此可以证明声学超表面对声波的调控能力。根据广义snell定律，根据广义snell定律，理论上反射角为20.12
°
，通过与图4和图5声波调控仿真结果分析，仿真值与理论值温和良好，因此，所述超表面可以通过简单的结构来实现声波的调控。
[0035]
实施例2
[0036]
当声波频率f＝2000hz，背景介质为空气，声波以30
°
斜入射到声学超表面上，超表面几何参数为长宽l＝0.62m，厚l2＝0.1m，窄井边长d0＝0.03m，窄井周期d＝0.065m，梯度gx＝0.164903，共有9*9个窄井，窄井深度从 0.005m满足线性梯度条件增长到0.091m，利用仿真软件进行声场调控计算。图6为f＝2000hz时30
°
斜入射声波背景下的外场压力图，图7为f＝2000hz 时30
°
斜入射声波背景下的外场压力指向性x-z平面图。由图6和图7可以看出，当声波30
°
斜入射到超构表面，反射声波明显发生了偏转。根据snell定律，反射角vr与入射角相等，理论上的反射角为30
°
，仿真结果不等于理论反射角，因此可以证明声学超表面对声波的调控能力。根据广义snell定律，波的调控能力。根据广义snell定律，理论上反射角为56.01
°
，通过与图6和图7声波调控仿真结果分析，仿真值与理论值温和良好，因此，所述超表面可以通过简单的结构来实现声波的调控。
[0037]
实施例3
[0038]
当声波频率f＝2000hz，背景介质为空气，声波垂直入射到橡胶材质窄井的声学超表面上，超表面几何参数为长宽l＝0.62m，厚l2＝0.1m，窄井边长 d0＝0.03m，窄井周期d＝0.065m，梯度gx＝0.164903，共有9*9个窄井，窄井深度从0.005m满足线性梯度条件增长到0.091m；橡胶物理参数为：
[0039]
[杨氏模量e＝2gpa；泊松比nu＝0.49]，利用仿真软件进行声场调控计算。图8为f＝2000hz时垂直入射到橡胶材质窄井的声学超表面背景下的外场压力
图，图9为f＝2000hz时垂直入射到橡胶材质窄井的声学超表面的外场压力指向性x-z平面图。由图8和图9可以看出，当声波垂直入射到橡胶材质窄井的超构表面，反射声波明显发生了偏转。根据snell定律，反射角vr与入射角相等，理论上的反射角为0
°
，仿真结果不等于理论反射角，因此可以证明声学超表面对声波的调控能力。根据广义snell定律，理论反射角，因此可以证明声学超表面对声波的调控能力。根据广义snell定律，理论上反射角为20
°
，通过与图8和图9声波调控仿真结果分析，仿真值与理论值温和良好，因此，所述超表面可以通过简单的结构来实现声波的调控。
[0040]
实施例4
[0041]
当声波频率f＝3000hz，背景介质为空气，声波垂直入射到声学超表面上，超表面几何参数为长宽l＝0.62m，厚l2＝0.1m，窄井边长d0＝0.03m，窄井周期d＝0.065m，梯度gx＝gy＝0.10992，共有9*9个窄井，窄井深度从 0.005m满足线性梯度条件增长到0.062m，利用仿真软件进行声场调控计算。图10为二维梯度变化下f＝3000hz时垂直入射声波背景下的外场压力图，图11为二维梯度变化下f＝3000hz时垂直入射声波背景下的外场压力指向性 x-z平面图。由图10和图11可以看出，当声波垂直入射到超构表面，反射声波明显发生了偏转。根据snell定律，反射角vr与入射角相等，理论上的反射角为0
°
，仿真结果不等于理论反射角，因此可以证明声学超表面对声波的调控能力。根据广义snell定律，理论上反射角为13
°
，通过与图10和图11声波调控仿真结果分析，仿真值与理论值温和良好，因此，所述超表面可以通过简单的结构来实现声波的调控。
[0042]
本发明提出了一种利用梯度变化的填充不同材料的窄井超表面结构，通过调整窄井梯度和窄井的填充材料来改变超构表面的附加相位从而实现对声波的调控，比如声聚焦、声折射、非衍射贝塞尔波束、声全息成像等。此方法可推广至其它几何结构的声波调控，应用广泛。
[0043]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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以所述权利要求的保护范围为准。