本發(fā)明涉及利用超構(gòu)材料，在聲學(xué)器件尺寸遠(yuǎn)小于聲波波長(zhǎng)的情況下，實(shí)現(xiàn)低頻聲波的高指向性傳輸?shù)姆椒?。尤其是利用亞波長(zhǎng)空間折疊結(jié)構(gòu)超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)低頻聲波指向性傳播的方法。

二、

背景技術(shù)：

波的衍射效應(yīng)使得波在傳播過(guò)程中不斷發(fā)散，長(zhǎng)久以來(lái)，如何實(shí)現(xiàn)聲波的指向性傳播一直都是科學(xué)研究的重點(diǎn)之一。聲波的指向性不僅能夠提高能量利用效率，還能減少噪聲干擾，提高信號(hào)傳輸?shù)谋Ｃ苄?。過(guò)去，人們往往通過(guò)改變聲源的方式實(shí)現(xiàn)指向性，如陣列聲源以及特定振速分布的活塞輻射產(chǎn)生的貝塞爾型超聲波束等方法。近來(lái)，基于光子晶體的聲子晶體的提出，其具有的各向異性抑制波的傳播和能帶邊緣態(tài)等特性也為實(shí)現(xiàn)指向性提供了新的思路。另外，基于變換光學(xué)的波調(diào)控也被理論上證明是一種能有效實(shí)現(xiàn)聲波輻射控制和指向性的方法。與此同時(shí)，聲學(xué)器件小型化也是研究者經(jīng)常要面對(duì)的挑戰(zhàn)，在傳統(tǒng)聲學(xué)中，對(duì)聲波的調(diào)控往往意為著器件尺寸要接近或大于波長(zhǎng)，而由于波的頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，利用小型化器件實(shí)現(xiàn)低頻聲波的指向性更是研究的難點(diǎn)。

最近，隨著超材料理論與實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，聲學(xué)超材料的提出使得聲波調(diào)控研究有了新的進(jìn)展，人工聲學(xué)超材料相比于天然材料具有獨(dú)特的物理特性和廣泛的應(yīng)用前景，比如聲學(xué)隱身衣，亞波長(zhǎng)分辨率的超聲成像等。最近我們提出一種基于級(jí)聯(lián)赫姆霍茲共鳴器的聲學(xué)超構(gòu)材料，這種亞波長(zhǎng)超構(gòu)材料通過(guò)改變邊界聲阻抗調(diào)控聲波產(chǎn)生偶極子指向性聲輻射，為聲學(xué)結(jié)構(gòu)小型化提供了一種新的思路。

三、

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的：采用超構(gòu)材料，在聲學(xué)器件尺寸遠(yuǎn)小于聲波波長(zhǎng)的情況下，實(shí)現(xiàn)低頻聲波的高指向性傳輸。

本發(fā)明的技術(shù)方案：利用超構(gòu)材料改善低頻聲波的指向性的方法，尤其是利用亞波長(zhǎng)空間折疊結(jié)構(gòu)超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)低頻聲波指向性傳播的方法，使用4個(gè)圓柱體的空間折疊結(jié)構(gòu)單元，將結(jié)構(gòu)單元分成兩組，每組兩個(gè)，每組內(nèi)兩個(gè)單元相連，兩組之間間距L為X軸，長(zhǎng)40±20cm厘米，與聲源所在y軸對(duì)稱，組成改善低頻聲波的指向性的器件；所述圓柱體的空間折疊結(jié)構(gòu)是指圓柱體的側(cè)面至圓柱體中軸具有若干分割成曲折的Z字形通道，所述空間折疊結(jié)構(gòu)單元如下述：其橫截面的圓均分為六至八個(gè)圓心角構(gòu)成的扇形，每個(gè)扇形的兩條半徑的邊各為一梯形的梳背，第一梳背上梳齒與第二梳背上梳齒交叉，但第一梳背上固定的梳齒距第二梳背存在間隙；使用4個(gè)圓柱體的空間折疊結(jié)構(gòu)單元組成器件；此為即使用特定形狀的固體框架插入背景聲傳播流體中(通常為空氣)，使得原本各向同性的流體空間被分割成曲折的Z字形通道，聲波通過(guò)時(shí)被迫沿Z字形路徑走更長(zhǎng)的距離。

所述梳齒尤其是不同半徑的圓弧線。

本發(fā)明方案所述的圓柱體的半徑R為5±1厘米，高h(yuǎn)為15±2厘米的圓柱體，圓柱體內(nèi)構(gòu)成梳背的梳齒材料為環(huán)氧樹(shù)脂；固體框架厚度t為1毫米，將圓柱體按圓心角角度等分為8份，每部分由9片(9條梳齒)不同的扇形結(jié)構(gòu)插入空氣中將空氣“彎折”8次，形成Z字形通道，梳齒間通道寬度w為4毫米；圓柱中心剩余一個(gè)半徑9毫米的空心圓柱管。有了結(jié)構(gòu)單元之后我們使用4個(gè)結(jié)構(gòu)單元組成器件：將單元分成兩組，每組兩個(gè)，組內(nèi)兩個(gè)單元相連，中心間距10厘米，兩組之間間距L為40cm厘米，以聲源所在y軸對(duì)稱，結(jié)構(gòu)整體尺寸為80厘米*10厘米*15厘米。此結(jié)構(gòu)適用的聲波頻率范圍為460Hz到469Hz。需要說(shuō)明的是，調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，特別是彎曲次數(shù)和半徑大小，可以改變適用頻率范圍。

圖1(a)為實(shí)現(xiàn)低頻聲波指向性的空間折疊結(jié)構(gòu)單元俯視圖。圖1(b)為三維的結(jié)構(gòu)單元。圖1(c)為四個(gè)結(jié)構(gòu)單元組成的聲學(xué)器件整體。

由于空間折疊結(jié)構(gòu)迫使流體沿著Z字形曲折路徑流動(dòng)，因此流體中傳播的聲波在通過(guò)結(jié)構(gòu)單元時(shí)也必須繞行Z字路徑。相比于原來(lái)的傳播路徑，此時(shí)聲波通過(guò)相同的距離需要花費(fèi)更多的時(shí)間，這就相當(dāng)于聲波的傳播速度被降低了，因此八個(gè)Z字形通道可等效為八條具有高折射系數(shù)的直通道，從而可以引起Mie共振。與傳統(tǒng)的基于LC共振原理的質(zhì)量彈簧(如赫姆霍茲共鳴器)不同，該結(jié)構(gòu)依靠單極子模式Mie共振產(chǎn)生的能量聚集，散射極大，抑制聲波側(cè)向傳播，同時(shí)將能量散射匯集到y(tǒng)方向，從而實(shí)現(xiàn)聲波指向性。

通過(guò)數(shù)值模擬我們觀察到，利用此共振效果實(shí)現(xiàn)的聲波調(diào)控指向性強(qiáng)，在目標(biāo)方向的聲強(qiáng)遠(yuǎn)高于單極子輻射，這是由于本器件利用Mie共振時(shí)散射極大的原理，并不吸收或損耗能量，因此能量利用率高。

本發(fā)明的有益效果是，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下的特點(diǎn)，Mie共振抑制聲波在特定方向的傳播，將其散射并增強(qiáng)另一方向的聲強(qiáng)，能量利用率高，可以獲得高指向性波束的傳播。輻射指向性好，沒(méi)有旁瓣，在距聲源相同距離位置聲強(qiáng)遠(yuǎn)高于其它常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)聲波指向性的方法。通過(guò)亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)能以十分之一波長(zhǎng)尺寸的結(jié)構(gòu)單元對(duì)數(shù)百赫茲低頻聲波實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控，使器件小型化成為可能。同時(shí)該結(jié)構(gòu)整體在工作時(shí)所占的實(shí)際空間位置非常小，并且在點(diǎn)源周圍留有很大的空白，因此它僅在聲學(xué)意義上作用效果明顯，在調(diào)控聲波的同時(shí)不會(huì)對(duì)聲源產(chǎn)生影響，不會(huì)妨礙聲源的可視性，熱傳播特性等。利用空間折疊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生慢聲速、高折射率通道，實(shí)現(xiàn)Mie共振，抑制聲波側(cè)向傳播，同時(shí)將能量散射匯集到希望指向的方向，從而實(shí)現(xiàn)聲波指向性。低頻高指向性的實(shí)現(xiàn)方法,提出了一種新型聲學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)低頻聲波的高指向性方法，依靠單極子模式Mie共振產(chǎn)生的能量聚集和強(qiáng)散射能力，抑制聲波側(cè)向傳播，同時(shí)將能量散射匯集到y(tǒng)方向，從而實(shí)現(xiàn)聲波指向性。

1、依靠單極子模式Mie共振產(chǎn)生的能量聚集和強(qiáng)散射能力實(shí)現(xiàn)指向性，并不吸收或損耗能量，能量利用率高。

2、可用尺寸僅為波長(zhǎng)的十分之一的結(jié)構(gòu)單元對(duì)聲波進(jìn)行有效的調(diào)控，使得器件的小型化成為可能。

3、獲得的聲場(chǎng)的指向性好，且無(wú)旁瓣，相同距離的軸向聲強(qiáng)遠(yuǎn)高于單極子點(diǎn)源。

4、結(jié)構(gòu)占用空間小，并且在聲源周圍留有很大的空白，對(duì)聲源本身產(chǎn)生的影響小，不會(huì)妨礙聲源的可視性，熱傳播特性等。

四、附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明空間折疊結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)圖；圖1(a)為折疊結(jié)構(gòu)單元俯視圖；(b)空間折疊結(jié)構(gòu)單元立體圖；(c)整體器件結(jié)構(gòu)俯視圖；(d)實(shí)現(xiàn)半空間指向性結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖2數(shù)值計(jì)算所獲得的樣品聲波輻射圖；圖2(a)：?jiǎn)螛O子聲源在圖1(c)所示結(jié)構(gòu)調(diào)控下產(chǎn)生的指向性聲波。圖2(b)：?jiǎn)螛O子聲源在圖1(d)所示結(jié)構(gòu)調(diào)控下產(chǎn)生的半空間指向性聲波。圖2(c)：對(duì)照組，將圖1(c)所示器件中的空間折疊結(jié)構(gòu)圓換成普通的實(shí)心圓柱體(所用材料仍為環(huán)氧樹(shù)脂)后，單極子聲源被調(diào)控后的輻射圖案。

圖3聲壓指向性圖。圖3(a)：圖2(a)中聲波輻射圖案的聲壓指向性圖。圖3(b)：圖2(b)中聲波輻射圖案的聲壓指向性圖。圖3(c)：對(duì)照組，圖2(c)中聲波輻射圖案的聲壓指向性圖。

五、具體實(shí)現(xiàn)方案

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)樣品圖如圖1所示。圖1(a)為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)指向性的空間折疊結(jié)構(gòu)單元樣品結(jié)構(gòu)的俯視圖。結(jié)構(gòu)單元為半徑R為5厘米，高h(yuǎn)為15厘米的圓柱體，固體材料為環(huán)氧樹(shù)脂；固體框架厚度t為1毫米，將圓柱體按橫截面的圓心角度等分為8份，每部分由9片不同的扇形結(jié)構(gòu)插入空氣中將空氣“彎折”8次，形成多個(gè)Z字形通道，通道寬度為w為4毫米；圓柱中心剩余一個(gè)半徑r為9毫米的空心圓柱管。有了結(jié)構(gòu)單元之后我們使用4個(gè)結(jié)構(gòu)單元組成器件：將單元分成兩組，每組兩個(gè)，組內(nèi)兩個(gè)單元相連，中心間距10厘米，兩組之間間距L為40cm厘米，以聲源所在y軸對(duì)稱，器件整體尺寸為80厘米*10厘米*15厘米。此結(jié)構(gòu)適用的聲波頻率范圍為460Hz到469Hz。需要說(shuō)明的是，調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，特別是彎曲次數(shù)和半徑大小，可以改變適用頻率范圍。

本發(fā)明利用超構(gòu)材料改善低頻聲波的指向性的方法，所述超構(gòu)材料為圓柱體空間折疊結(jié)構(gòu)。所謂空間折疊結(jié)構(gòu)，即使用特定形狀的固體框架插入背景流體中(通常為空氣)，使得原本各向同性的流體空間被分割成曲折的Z字形通道，聲波通過(guò)時(shí)被迫沿Z字形路徑走更長(zhǎng)的距離。

為了驗(yàn)證發(fā)明的有效性以及可行性，我們進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。數(shù)值仿真使用有限元模擬軟件COMSOL Multiphysics 5.1。選用的物理場(chǎng)為壓力聲學(xué)，頻域。尺寸為實(shí)際尺寸，模型如圖1(b)所示：圓柱外半徑為5cm，高度為15cm，內(nèi)部中空?qǐng)A的半徑為0.9cm，固體框架厚度為0.1cm。背景介質(zhì)為COMSOL材料庫(kù)中的空氣，固體阻隔材料采用材料庫(kù)中的環(huán)氧樹(shù)脂(Filled epoxy resin X238)，其中聲速為2540m/s。結(jié)構(gòu)整體如圖1(c)所示，單極子點(diǎn)源位于正中間，與兩邊的結(jié)構(gòu)單元圓心距離d為25cm，聲源附近長(zhǎng)度L為40cm的空間內(nèi)只有空氣，輻射聲壓頻率分別為464Hz，即空間折疊結(jié)構(gòu)的單極子共振頻率。在圖1(d)中我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)下部加入矩形固體材料(環(huán)氧樹(shù)脂)作為阻隔，實(shí)現(xiàn)更具實(shí)際意義的半空間聲波指向性。作為對(duì)照組，我們還將四個(gè)結(jié)構(gòu)單元替換成大小完全相同的實(shí)心圓柱，材料仍為環(huán)氧樹(shù)脂(Filled epoxy resin X238)，其它條件不變。

圖2(a)是單極子聲源在圖1(c)所示結(jié)構(gòu)調(diào)控下產(chǎn)生的指向性聲波。圖2(b)是單極子聲源在圖1(d)所示結(jié)構(gòu)調(diào)控下產(chǎn)生的半空間指向性聲波。圖2(c)是對(duì)照組，將圖1(c)所示器件中的空間折疊結(jié)構(gòu)圓換成普通的實(shí)心圓柱體(所用材料仍為環(huán)氧樹(shù)脂)后，單極子聲源被調(diào)控后的輻射圖案。圖3(a、b、c)分別是在得到圖2(a，b，c)數(shù)值模擬結(jié)果后再將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，使用MATLAB進(jìn)行處理，以點(diǎn)聲源為極點(diǎn)，取距離聲源2米的圓上的聲壓數(shù)據(jù)為幅值，畫出的指向性圖。