一种可调控水下特定频率声波漫反射的声学超表面的制作方法

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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特定频率声波漫反射的声学超表面。

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。在发明人的认知范围内，尚未见到公开发表的实现对水下声波漫反射调控的文献。

技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种可调控水下特定频率声波漫反射的声学超表面，该超表面能够将特定频率的入射平面声波以漫反射的形式反射。
5.一种可调控水下特定频率声波漫反射的声学超表面，所述声学超表面为至少包含两个周期结构的二维平面，每个周期结构包括底板、以及依次排列在底板上的n个介质，n为正整数，n》1，相邻周期结构的底板等厚度且相连；
6.将每个周期结构中的n个介质分为两类：前m个介质为一类介质，m《n，后n-m个介质为二类介质，一类介质的模量和密度与水的模量和密度相差不超过
±
10％；二类介质的声波波速不大于水声的10％，密度不大于水密度10％。
7.进一步地，每个周期结构内的介质和底板用粘接剂粘接，
8.进一步地，介质1至介质n截面形状相同且均为矩形，底板的截面形状为矩形。
9.进一步地，每个周期结构内一类介质排列在一起的总长度等于水中特定频率声波波长，二类介质排列在一起的总长度为水中波长的0.05～0.2倍，水中特定频率声波波长λ、波速v、频率f满足理论公式，v＝fλ。
10.进一步地，每个周期结构内的一类介质采用某种微结构实现，该微结构的等效模量与一类介质的模量误差不超过10％，该微结构的等效密度与一类介质的密度误误差不超过10％。二类介质采用某种微观结构实现，该微结构的声波波速与二类介质的声波波速误差不超过10％，该微结构的等效密度与二类介质的密度误差不超过10％。
11.有益效果：
12.1、本发明的声学超表面为至少包含两个周期结构的二维平面，每个周期结构中的n个介质分为两类：前m个介质为一类介质，m《n，后n-m个介质为二类介质，一类介质的模量和密度与水的模量和密度相差不超过
±
10％；二类介质的声波波速不大于水声的10％，密度不大于水密度10％；该声学超表面能够将水下特定频率平面声波进行漫反射，而且结构简单，易于实现，将其敷设在水下结构表面能够躲避主动声纳的探测。
13.2、本发明的声学超表面对于每个周期结构，一类介质排列在一起的总长度等于水中特定频率声波波长，二类介质排列在一起的总长度为水中波长的0.05～0.2倍，这种设计使得周期结构中部的阻抗大，越往两边阻抗越小，声波入射到超表面之后，部分能量会沿着超表面流动到中部集中再辐射出去，使得声学超表面有效形成漫反射。
14.3、本发明周期结构内的介质和底板用粘接剂粘接，介质1至介质n截面形状相同且均为矩形，底板的截面形状为矩形，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
15.图1为本发明的声学超表面介质分布几何示意图；
16.图2为图1超表面有限元声学仿真的声压图；
17.图3为根据图2计算提取的超表面180度范围内的声压级；
18.图4为图1超表面对应的一种具体结构形式；
19.图5为一类介质对应的一种微结构形式；
20.图6为二类介质对应的一种微结构形式；
21.图7为图4超表面有限元声学仿真的声压图；
22.图8为根据图7计算提取的超表面180度范围内的声压级。
23.其中，1-一类介质、2-二类介质、3-底板。
具体实施方式
24.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
25.本发明提供了一种可调控水下特定频率声波漫反射的声学超表面，声学超表面为至少包含两个周期结构的二维平面，每个周期结构包括底板3、以及依次排列在底板上的n个介质，即介质1至介质n(n为正整数，n》1)。本实施例中，每个周期结构划分为n＝12个介质，前10个介质为一类介质1，后2个介质为二类介质2。前十个一类介质1的模量和密度与水相同，后两个二类介质的声波波速、密度接近于0。前十个一类介质连接在一起的总长度为λ＝0.5m，也即是3000hz声波在水中传播的波长，后两个二类介质连接在一起的总长度为0.1m；介质厚度均为50mm。底板3的材料为钢材，底板厚度不影响超表面反射声波性能。图1规定了每个介质的外形尺寸，以及应具备的物理特性。
26.如图2是图1超表面的声学仿真的声压图。仿真工况如下：背景环境为水，3000hz平面声波垂直入射图1所示的超表面。图2是超表面附近的声压分布，可以看到声波在超表面形成了漫反射。
27.如图3是根据图2计算提取的超表面180度范围内的声压级，声压级反映的是声波强弱。从图3可以看出，超表面180度各个方向的声压级基本相当，直观地体现了超表面的漫反射功能。
28.特别的，图1只是定义了各个介质的外形尺寸及应具备的物理特性。要想制造出实际的超表面，可以通过一些具体的结构实现各个介质的物理特性。本发明超表面介质应具有的物理特性：一类介质的模量和密度与水接近，二类介质的声波波速不大于水声的10％，密度不大于水密度10％。
29.如图4是图1超表面对应的一种具体结构形式。图4外形尺寸与图1相同，只是将一类介质用如图5所示微结构代替，将二类介质用如图6所示微结构代替。具体来讲，图5微结构的等效模量和等效密度与水接近，图6微结构的声波波速、等效密度接近于0。图5和图6微结构的基材为钢材。图5和图6微结构不是唯一的结构形式，基材也不是唯一的，本实施例只是提供一种可行的微结构形式。
30.如图7是图4超表面的声学仿真的声压图。仿真工况如下：背景环境为水，3000hz平面声波垂直入射图4超表面。图7显示的是超表面附近的声压分布，可以看到声波在超表面形成了漫反射。
31.如图8是根据图7计算提取的超表面180度范围内的声压级，声压级反应的是声波强弱。从图8可以看出，超表面180度各个方向的声压级基本相当，直观地体现了超表面的漫反射功能。
32.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。

技术特征：

1.一种可调控水下特定频率声波漫反射的声学超表面，其特征在于，所述声学超表面为至少包含两个周期结构的二维平面，每个周期结构包括底板、以及依次排列在底板上的n个介质，n为正整数，n＞1，相邻周期结构的底板等厚度且相连；将每个周期结构中的n个介质分为两类：前m个介质为一类介质，m＜n，后n-m个介质为二类介质，一类介质的模量和密度与水的模量和密度相差不超过
±
10％；二类介质的声波波速不大于水声的10％，密度不大于水密度10％。2.如权利要求1所述的可调控水下特定频率声波漫反射的声学超表面，其特征在于，每个周期结构内的介质和底板用粘接剂粘接。3.如权利要求1所述的可调控水下特定频率声波漫反射的声学超表面，其特征在于，介质1至介质n截面形状相同且均为矩形，底板的截面形状为矩形。4.如权利要求3所述的可调控水下特定频率声波漫反射的声学超表面，其特征在于，每个周期结构内一类介质排列在一起的总长度等于水中特定频率声波波长，二类介质排列在一起的总长度为水中波长的0.05～0.2倍，水中特定频率声波波长λ、波速v、频率f满足理论公式，v＝fλ。5.如权利要求3或4所述的可调控水下特定频率声波漫反射的声学超表面，其特征在于，每个周期结构内的一类介质采用某种微结构实现，该微结构的等效模量与一类介质的模量误差不超过10％，该微结构的等效密度与一类介质的密度误误差不超过10％。二类介质采用某种微观结构实现，该微结构的声波波速与二类介质的声波波速误差不超过10％，该微结构的等效密度与二类介质的密度误差不超过10％。

技术总结

本发明公开了一种可调控水下特定频率声波漫反射的声学超表面，属于声学超表面技术领域。声学超表面为至少包含两个周期结构的二维平面，每个周期结构包括底板、以及依次排列在底板上的N个介质，N为正整数，N>1，相邻周期结构的底板等厚度且相连；将每个周期结构中的N个介质分为两类：前M个介质为一类介质，M<N，后N-M个介质为二类介质，一类介质的模量和密度与水的模量和密度相差不超过