本发明涉及一种超表面结构及其制作和使用方法，特别涉及一种多功能的声学超表面结构及其制作和使用方法。
背景技术：
1、目前，声学超表面是一类由亚波长尺寸单元构成的二维人工结构，通过调控其微结构单元的几何参数与排列方式，能够实现多种自定义的声场相应模式，具有高度的可编程性，能够实现异常反射与折射、全息、涡旋生成、吸声、多频复用等多种功能。声学超表面因其结构轻薄，调控精度高的特性，在医疗成像、微粒操控、智能降噪、声通信、非接触交互等领域具有广泛的应用前景，正成为构建下一代高性能、紧凑型声学系统的关键基础技术。
2、传统声学超表面结构一经设计便固定，通常只能在特定频率下实现预设功能，难以兼顾多频段应用需求。对于需要跨频率或多功能声场调控的场合，往往需要设计多种不同的超表面结构，不仅增加了系统复杂性，也显著提高了设计与制造成本。
技术实现思路
1、本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种多功能的声学超表面结构及其制作和使用方法。
2、本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
3、一种多功能的声学超表面结构，包括：相互平行的上、下基板，位于上、下基板间且与上、下基板密封连接的呈矩阵排列的若干个声学调控单元；每个声学调控单元由轴线垂直于下基板的两个柱状体组合而成，这两个柱状体与上、下基板围合构成空腔和弯曲的空气通道，空腔设有一个与空气通道连通的开口；每个声学调控单元的横截面外轮廓为矩形；同一列中的声学调控单元的空气通道依次连通，不同列中的声学调控单元的空气通道相互隔离；声波沿空气通道传播，声学调控单元使通过的声波相位改变，声波相位改变范围为0～2π。
4、进一步地，空气通道包括依次连通的进口通道、一个以上直角u形通道及出口通道，进口通道与出口通道宽度相同且同轴，直角u形通道中的两侧通道垂直于进口通道。
5、进一步地，空腔数量为两个以上，分布在直角u形通道的两侧，空腔的开口位于进口通道或出口通道处。
6、进一步地，声学调控单元的横截面中，空腔垂直于进口通道方向的尺寸为8～36mm，空腔平行于进口通道方向的尺寸为6～9mm，空腔开口尺寸为6～9mm；进口通道宽度为3～7mm，直角u形通道的垂直于进口通道方向的尺寸为8～36mm，直角u形通道宽度为3～4mm。
7、进一步地，两个柱状体分别称为柱状体a及柱状体b；柱状体a在面对柱状体b的一面，对应空腔设有空腔凹槽，对应直角u形通道设有通道凹槽；柱状体b在面对柱状体a的一面，对应通道凹槽设有通道凸起；通道凸起插入对应的通道凹槽内形成直角u形通道，相互配合的通道凹槽与通道凸起中心线重合；不同空腔凹槽尺寸及通道凹槽尺寸的柱状体a与不同通道凸起尺寸的柱状体b组合，构成参数可调的声学调控单元。
8、进一步地，柱状体b和柱状体a依次连接为一体，称其为柱状体c；声学超表面结构中的每行结构包括依次排布的柱状体a、多个柱状体c及柱状体b。
9、本发明还提供了一种上述的多功能的声学超表面结构的制作方法，采用3d打印方法打印声学调控单元单体或多个声学调控单元的连体或声学超表面结构整体。
10、本发明还提供了另一种上述的多功能的声学超表面结构的制作方法，在固体树脂基体表面划分声学调控单元格，在每个声学调控单元格内开挖空气通道与空腔，然后将固体树脂基体与上下基板密封连接。
11、本发明还提供了一种上述的多功能的声学超表面结构的使用方法，通过调整不同结构的声学调控单元在矩阵中的位置，使相邻声学调控单元之间透射相位的变化量为常数，对不同频率的声波进行偏转或聚焦。
12、进一步地，通过调整空腔和空气通道尺寸来实现双频下透射声波的偏转与聚焦。
13、本发明具有的优点和积极效果是：本发明的一种多功能的声学超表面结构，声学超表面结构由呈矩阵排列的若干个声学调控单元组成，声波沿声学调控单元中的空气通道传播，由声学调控单元对通过声波的相位进行调整，实现对透射声波的相位调控与功能集成。
14、每个声学调控单元由轴线垂直于下基板的两个柱状体组合而成，两个柱状体分别称为柱状体a及柱状体b；柱状体a在面对柱状体b的一面，对应空腔设有空腔凹槽，对应直角u形通道设有通道凹槽；柱状体b在面对柱状体a的一面，对应通道凹槽设有通道凸起；相互配合的通道凹槽与通道凸起中心线重合；不同空腔凹槽尺寸及通道凹槽尺寸的柱状体a与不同通道凸起尺寸的柱状体b组合，构成参数可调的声学调控单元。通过调整通道高度与宽度、腔体高度与宽度等参数组合，实现在不同频率下对声波相位的高效调控，单元相位响应可覆盖2π范围。
15、通过在上、下基板间设有隔板，每个隔板的两侧面设置限位插槽；在两个柱状体的面对隔板的表面设置配合限位插槽的限位凸起，将每个声学调控单元的两个柱状体通过限位凸起插入对应限位插槽内与左右隔板连接。从而可以对两个柱状体进行固定及限位，实现不同不同空腔凹槽尺寸及通道凹槽尺寸的柱状体a与不同通道凸起尺寸的柱状体b组合。
16、不同几何参数单元在一体化结构中可沿一维方向排布，可使结构在某个频率下，透射声波向排列方向一侧偏转某个角度；在某个频率下，在中心轴线方向上聚焦声波。
17、本发明可通过3d打印方式整体成型，制造精度高，无需组装，降低制造成本。该结构具备优异的设计灵活性、透射效率高等优势，具有良好的推广与实用价值。
18、本发明还可以在固体树脂基体表面划分声学调控单元格，在每个声学调控单元格内开挖空气通道与空腔，然后将固体树脂基体与上下基板密封连接。制作方法简单，成本低。
19、本发明所采用的透射型结构设计，通过连续相位控制实现高自由度的透射波场重构。整体结构仅空气通道连通空气，保证了声波透射方向的有效控制，具有明确的声传播路径，降低干扰损耗，提升声学效率，在2500hz频率下平均透射率达到0.89，在3500hz频率下平均透射率达到0.78，表明该结构在双频工作状态下均具有优异的透射性能和功能实现能力。通过调整不同结构的声学调控单元在矩阵中的位置，可对不同频率的声波进行偏转或聚焦。通过调整空腔和空气通道尺寸可实现双频下透射声波的偏转与聚焦。
1.一种多功能的声学超表面结构，其特征在于，包括：相互平行的上、下基板，位于上、下基板间且与上、下基板密封连接的呈矩阵排列的若干个声学调控单元；每个声学调控单元由轴线垂直于下基板的两个柱状体组合而成，这两个柱状体与上、下基板围合构成空腔和弯曲的空气通道，空腔设有一个与空气通道连通的开口；每个声学调控单元的横截面外轮廓为矩形；同一列中的声学调控单元的空气通道依次连通，不同列中的声学调控单元的空气通道相互隔离；声波沿空气通道传播，声学调控单元使通过的声波相位改变，声波相位改变范围为0～2π。
2.根据权利要求1所述的多功能的声学超表面结构，其特征在于，空气通道包括依次连通的进口通道、一个以上直角u形通道及出口通道，进口通道与出口通道宽度相同且同轴，直角u形通道中的两侧通道垂直于进口通道。
3.根据权利要求2所述的多功能的声学超表面结构，其特征在于，空腔数量为两个以上，分布在直角u形通道的两侧，空腔的开口位于进口通道或出口通道处。
4.根据权利要求2所述的多功能的声学超表面结构，其特征在于，声学调控单元的横截面中，空腔垂直于进口通道方向的尺寸为8～36mm，空腔平行于进口通道方向的尺寸为6～9mm，空腔开口尺寸为6～9mm；进口通道宽度为3～7mm，直角u形通道的垂直于进口通道方向的尺寸为8～36mm，直角u形通道宽度为3～4mm。
5.根据权利要求2所述的多功能的声学超表面结构，其特征在于，两个柱状体分别称为柱状体a及柱状体b；柱状体a在面对柱状体b的一面，对应空腔设有空腔凹槽，对应直角u形通道设有通道凹槽；柱状体b在面对柱状体a的一面，对应通道凹槽设有通道凸起；通道凸起插入对应的通道凹槽内形成直角u形通道，相互配合的通道凹槽与通道凸起中心线重合；不同空腔凹槽尺寸及通道凹槽尺寸的柱状体a与不同通道凸起尺寸的柱状体b组合，构成参数可调的声学调控单元。
6.根据权利要求5所述的多功能的声学超表面结构，其特征在于，柱状体b和柱状体a依次连接为一体，称其为柱状体c；声学超表面结构中的每行结构包括依次排布的柱状体a、多个柱状体c及柱状体b。
7.一种权利要求1至6任一项所述的多功能的声学超表面结构的制作方法，其特征在于，采用3d打印方法打印声学调控单元单体或多个声学调控单元的连体或声学超表面结构整体。
8.一种权利要求1至6任一项所述的多功能的声学超表面结构的制作方法，其特征在于，在固体树脂基体表面划分声学调控单元格，在每个声学调控单元格内开挖空气通道与空腔，然后将固体树脂基体与上下基板密封连接。
9.一种权利要求1至6任一项所述的多功能的声学超表面结构的使用方法，其特征在于，通过调整不同结构的声学调控单元在矩阵中的位置，使相邻声学调控单元之间透射相位的变化量为常数，对不同频率的声波进行偏转或聚焦。
10.根据权利要求9所述的多功能的声学超表面结构的使用方法，其特征在于，通过调整空腔和空气通道尺寸来实现双频下透射声波的偏转与聚焦。