一种用于低频宽带均匀漫反射的水声超表面结构

本发明属于声学超材料相关，更具体地，涉及一种用于低频宽带均匀漫反射的水声超表面结构。

背景技术：

1、声学超表面是人工设计的亚波长结构，可以获得自然界材料所不具有的声学特性，如声波的异常反射与折射、波束弯曲与聚焦、波前操控等，其根据应用环境的不同可分为空气声超表面和水声超表面。

2、现有用于水下潜艇隐声的消声瓦在低频处对声波的吸收性能难以提高；新兴的超材料多是针对特定频率、特定偏转角度的调控，带宽较窄，无法应对宽频多接收机声呐系统。究其原因，主要为：海水中声速较大而导致低频声波的调控尤为困难；声波与水下结构的相互作用(声固耦合)导致调控机制极其复杂。

3、鉴于此，如能突破以上水声超表面设计的制约瓶颈，对于提升潜艇的声学隐蔽性具有重要的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于低频宽带均匀漫反射的水声超表面结构，所述结构同时采用了弱等效材料及强等效材料，使得该结构能够将频段为200hz～650hz的垂直入射平面声波，以均匀漫反射的形式反射，使标准化扩散系数在此频段下均大于0.4。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于低频宽带均匀漫反射的水声超表面结构，该水声超表面结构为轴对称结构，其包括n个子块，n个子块依次相连接而形成条状体，所述条状体自其中间平分为两个子条状体，每个子条状体中邻近自身几何中心的子块为腔体结构，该腔体结构是采用弱等效材料制备的，其余子块是采用强等效材料制备的；其中，n为大于2的正整数且为偶数。

3、进一步地，n为20，子块从左至右的第4、5、6、15、16、17个是采用弱等效材料制备的腔体结构，其余子块是采用强等效材料制备的，即从左至右的第1、2、3、7、8、9、10、11、12、13、14、18、19、20个子块是采用强等效材料制备的。

4、进一步地，所述水声超表面结构用于低频宽带声波的均匀漫反射调控，所述低频宽带声波的频段为200hz～650hz。

5、进一步地，所述水声超表面结构的长度为其能进行漫反射波长的2倍，高度为其能进行漫反射波长的0.01倍。

6、进一步地，所述水声超表面结构适用于波长为2.3m～7.5m声波的调控，即对应于频率f＝200hz～650hz，波长λ、频率f、声速c之间满足关系式c＝λf。

7、进一步地，所述弱等效材料的等效密度取为空气的等效密度，且其等效声速取为空气的等效声速。

8、进一步地，所述强等效材料的等效密度取为海水的等效密度，且其等效声速取为海水的等效声速。

9、进一步地，所述条状体后衬一个钢制背板，所述钢制背板的厚度为所述水声超表面结构能漫反射波长的0.1倍～0.4倍。

10、进一步地，所述钢制背板的厚度为0.2倍波长，即1.04m，密度为7800kg/m3，声速为6100m/s。

11、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的用于低频宽带均匀漫反射的水声超表面结构主要具有以下有益效果：

12、1.本发明的水声超表面包含两类等效材料，即强等效材料和弱等效材料，并且强等效材料和弱等效材料可采用合适的微结构和空腔予以实现，其总体能达到低频宽带声波的漫反射效果，将其敷设于潜艇围壳上可防御多接收机声呐系统的侦测。

13、2.本发明的水声超表面结构考虑了声波与结构的相互作用，异于阻抗匹配型声学超材料或超表面对材料物性参数的严苛要求，其具有设计灵活性。

14、3.本发明的水声超表面结构由尺寸相同的矩形子块组成，子块高度为深亚波长尺度，设计简单轻薄，并且每个子块可单独加工，易于拼接和组合。

技术特征：

1.一种用于低频宽带均匀漫反射的水声超表面结构，其特征在于：

2.如权利要求1所述的用于低频宽带均匀漫反射的水声超表面结构，其特征在于：n为20，子块从左至右的第4、5、6、15、16、17个是采用弱等效材料制备的腔体结构，其余子块是采用强等效材料制备的，即从左至右的第1、2、3、7、8、9、10、11、12、13、14、18、19、20个子块是采用强等效材料制备的。

3.如权利要求1所述的用于低频宽带均匀漫反射的水声超表面结构，其特征在于：所述水声超表面结构用于低频宽带声波的均匀漫反射调控，所述低频宽带声波的频段为200hz～650hz。

4.如权利要求1所述的用于低频宽带均匀漫反射的水声超表面结构，其特征在于：所述水声超表面结构的长度为其能进行漫反射波长的2倍，高度为其能进行漫反射波长的0.01倍。

5.如权利要求1所述的用于低频宽带均匀漫反射的水声超表面结构，其特征在于：所述水声超表面结构适用于波长为2.3m～7.5m声波的调控，即对应于频率f＝200hz～650hz，波长λ、频率f、声速c之间满足关系式c＝λf。

6.如权利要求1-5任一项所述的用于低频宽带均匀漫反射的水声超表面结构，其特征在于：所述弱等效材料的等效密度取为空气的等效密度，且其等效声速取为空气的等效声速。

7.如权利要求1-5任一项所述的用于低频宽带均匀漫反射的水声超表面结构，其特征在于：所述强等效材料的等效密度取为海水的等效密度，且其等效声速取为海水的等效声速。

8.如权利要求1-5任一项所述的用于低频宽带均匀漫反射的水声超表面结构，其特征在于：所述条状体后衬一个钢制背板，所述钢制背板的厚度为所述水声超表面结构能漫反射波长的0.1倍～0.4倍。

9.如权利要求8所述的用于低频宽带均匀漫反射的水声超表面结构，其特征在于：所述钢制背板的厚度为0.2倍波长，即1.04m，密度为7800kg/m3，声速为6100m/s。

技术总结
本发明属于声学超材料相关技术领域，其公开了一种用于低频宽带均匀漫反射的水声超表面结构，该水声超表面结构为轴对称结构，其包括N个子块，N个子块依次相连接而形成条状体，所述条状体自其中间平分为两个子条状体，每个子条状体中邻近自身几何中心的子块为腔体结构，该腔体结构是采用弱等效材料制备的，其余子块是采用强等效材料制备的；其中，N为大于2的正整数且为偶数。所述结构同时采用了弱等效材料及强等效材料，使得该结构能够将频段为200Hz～650Hz的垂直入射平面声波，以均匀漫反射的形式反射，使标准化扩散系数在此频段下均大于0.4。

技术研发人员：夏凉,何慕,梁天保,周奇,史铁林
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12