一种可调控水下声波反射声场的声学超表面的制作方法

1.本发明属于声学超表面技术领域，具体涉及一种可调控水下声波反射声场的声学超表面。


背景技术：

2.声学超表面是由人工巧妙设计的结构单元组成的一种二维阵列平面，通过引入梯度变化的相位突变，控制波前相位，实现对反射角和折射角的任意调控，为声波调控带来全新的可能性。已经公开提出许多有关声学超表面的专利，通过对声波的调控实现异常反射、聚焦、以及涡旋等声学现象。
3.现有超表面研究大多以空气介质作为背景，以水为背景的声学超表面的研究相对较少。
4.对于普通的平面(比如钢材制成的普通平板)，入射声波垂直入射到该平板上，反射声波基本沿入射声波方向(反射声场90度附近方向)原路反射，导致反射声场90度附近方向的声压级很强，其他方向声压级很弱。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种可调控水下声波反射声场的声学超表面，能够对垂直入射平面声波的反射声场进行调控，明显降低反射声场90度附近方向的声压级。
6.一种可调控水下声波反射声场的声学超表面，声学超表面包括底板以及依次排列在底板上的n(n为正整数)个介质，每个介质与底板粘接；
7.假设n个介质从左至右排列在一起的长度为l，厚度为d，则每个介质的长度均为从左至右第n个介质的位置坐标为n个介质的物理性质符合以下要求：
8.(1)n个介质的密度相同，且与水的密度相差不超过
±
20％；
9.(2)第n个介质的模量为其中，k0为水的模量，d为每个介质的厚度，l为n个介质从左至右排列在一起的长度，c1和c2是人为设计的参数。
10.进一步地，所述底板的截面形状为矩形，n个介质的截面形状为相同矩形。
11.进一步地，所述底板的材质采用钢材、铝合金或钛合金。
12.进一步地，所述介质采用微结构代替。
13.进一步地，所述即微结构总体外形尺寸与对应介质总体外形尺寸相同，微结构等效密度与对应介质的密度近似相等，微结构等效模量与对应介质的模量近似相等，相邻微结构之间不出现形状突变，保证相邻微结构平滑连接。
14.有益效果：
15.1、本发明底板上的介质起调控声场的作用，介质的模量公式明确给出了超表面的
参数分布规律，因此根据其规律设置的介质可调控一定频率范围内的垂直入射平面声波的反射声场，可以明显降低反射声场90度附近方向的声压级，将其敷设在水下结构物表面可以躲避主动声呐的探测。
16.2、本发明的超表面接收到入射声波后，入射声波一般为平面波，整个平面波都打到超表面上，入射声波使得超表面中部模量大、越往两边模量越小，这种设计使得超表面中部阻抗大，越往两边阻抗越小，声波入射超表面后，部分能量会沿着超表面流动到中部集中再辐射出去，使得超表面90度附近方向辐射能量降低。
17.3、本发明底板的截面形状为矩形，n个介质的截面形状为相同矩形，采用粘接的连接方式以及介质和底板的截面采用矩形，使得声学超表面便于批量加工，有利于节省生产成本。
附图说明
18.图1为一种可调控水下声波反射声场的声学超表面；
19.图2为用微观结构实现的超表面结构示意图；
20.图3为底板结构示意图；
21.图4为底板3000hz声波反射声场仿真结果；
22.图5为超表面3000hz声波反射声场仿真结果；
23.图6为底板与超表面3000hz声波反射声场声压级仿真结果对比；
24.图7为底板5000hz声波反射声场仿真结果；
25.图8为超表面5000hz声波反射声场仿真结果；
26.图9为底板与超表面5000hz声波反射声场声压级仿真结果对比；
27.图10为底板8000hz声波反射声场仿真结果；
28.图11为超表面8000hz声波反射声场仿真结果；
29.图12为底板与超表面8000hz声波反射声场声压级仿真结果对比；
30.图13为底板10000hz声波反射声场仿真结果；
31.图14为超表面10000hz声波反射声场仿真结果；
32.图15为底板与超表面10000hz声波反射声场声压级仿真结果对比。
33.其中，1-介质、2-底板。
具体实施方式
34.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
35.本发明提供了一种可调控水下声波反射声场的声学超表面，如图1是本发明二维超表面截面几何示意图。在本实施例中，底板截面是长度1m，厚度10mm的矩形，材质为钢材。底板上从左至右紧密排列20个介质，每个介质截面是长度为54mm，厚度40mm的矩形。
36.那么，n＝20个介质从左至右排列在一起的长度为l＝1.08m，厚度为d＝0.04m，则从左至右第n个介质的位置坐标为20个介质的物理性质符合以下要求：
37.(1)20个介质的密度均为1200kg/m3；
38.(2)第n个介质的模量为其中，k0＝2.19e9pa为水的模量，c1＝-0.37m和c2＝0.48m，是可人为设计的参数，参数取值是否合适，通过后来的仿真进行验证。
39.根据上述方案计算从左到右20个介质的相对于水的模量(kn/k0)依次为：0.2409，.02724，0.3106，0.3569，0.4124，0.4776，0.5503，0.6244，0.6879，0.7255，0.7255，0.6879，0.6244，0.5503，0.4776，0.4124，0.3569，0.3106，0.2724，0.2409。可以发现，介质的模量呈对称分布。
40.上述只是定义了各个介质的外形尺寸及具备的密度、模量性质。而要想制造出实际的超表面，要通过一些具体的结构代替实现各个介质的几何物理特性。通过拓扑形状优化设计方法，可以整体设计出20个介质对应的微结构，每个微结构与对应介质具有相同的外形轮廓尺寸、近似相等的密度和模量。同时相邻微结构之间不存在形状突变，保证了平滑连接，利于加工制造。
41.图2是采用某种形状优化设计方法整体设计出的20个介质对应的渐变六边形蜂窝微结构，蜂窝微结构的材质为钛合金。图2总体尺寸与图1相同。图2各个局部微观结构的等效密度与对应位置介质的密度近似相等，各局部微观结构等效模量与对应位置介质的模量近似相等。
42.图3是底板。图1～3中的底板形状相同，材质均为钢材。
43.为了验证图2超表面具有调控反射声场的功能，采用有限元声学仿真对比验证。对比的模型有两个：图3底板和图2超表面。仿真对比方法如下：仿真背景环境为水下，在相同仿真条件下，分别对图3底板和图2超表面垂直入射不同频率的平面声波，分别计算反射声场；然后对比底板和超表面不同频率声波下的反射声场。
44.图4～6是3000hz声波声学仿真结果。
45.图4是底板声波反射声场，可以看到反射声波基本沿入射方向原路反射，这样会导致反射声场90度方向声压级很强，其他方向声压级很弱。
46.图5是超表面声波反射声场，可以看到反射声波沿各个方向反射。
47.图6是底板和超表面反射声场声压级对比，虚线代表底板的反射声场声压级，实线代表超表面的反射声场声压级。可以看出，在底板上敷设超表面之后，反射声场90度附近方向的声压级明显降低，90度方向声压级降低5.3db。
48.图7～9是5000hz声波声学仿真结果。
49.图7是底板声波反射声场，反射声波基本沿入射方向原路反射。图8是超表面声波反射声场，反射声波沿各个方向反射。图9是底板和超表面反射声场声压级对比，虚线代表底板的反射声场声压级，实线代表超表面的反射声场声压级。在底板上敷设超表面之后，反射声场90度附近方向的声压级明显降低，90度方向声压级降低15.7db。
50.图10～12是8000hz声波声学仿真结果。
51.图10是底板声波反射声场，反射声波基本沿入射方向原路反射。图11是超表面声波反射声场，反射声波沿各个方向反射。图12是底板和超表面反射声场声压级对比，虚线代表底板的反射声场声压级，实线代表超表面的反射声场声压级。在底板上敷设超表面之后，反射声场90度附近方向的声压级明显降低，90度方向声压级降低8.6db。
52.图13～15是10000hz声学仿真结果。
53.图13是底板声波反射声场，反射声波基本沿入射方向原路反射。图14是超表面声波反射声场，反射声波沿各个方向反射。图15是底板和超表面反射声场声压级对比，虚线代表底板的反射声场声压级，实线代表超表面的反射声场声压级。在底板上敷设超表面之后，反射声场90度附近方向的声压级明显降低，90度方向声压级降低10.7db。
54.通过以上仿真可以得出结论，本发明提供的声学超表面可以明显降低不同频率反射声波90度附近方向的声压级。
55.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。