CN105895074A - 一种声学单向超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声学单向超表面，包括第一板，具有对入射声波进行相位调控的部件；第二板，所述第二板的材料为零折射率材料；所述第一板和第二板平行设置，第一板和第二板之间的间隙小于1mm。本发明的一种声学单向超表面，在单向传输的同时，实现对透射声波的单向任意操控，设计的超表面的厚度仅为0.57个波长，这将大大地促进它在实际中的应用，比如在集成声学器件上的使用。
Description
技术领域
本发明涉及声学单向超表面，属于声学领域。
背景技术
声学超材料的兴起为我们提供了许多自然界中的材料所不具备的特殊材料属性，并使我们能够设计出诸多奇特的声学器件。其中，声学超表面的出现使我们能够利用亚波长厚度的超薄表面来达到对反射和透射声波的特殊调控。然而，目前所有已设计出来的声学超表面，都只能实现对从超表面两侧这两个不同反向入射的声波产生完全相同的操控效果，这从本质上限制了对声波进行任意操控的发展。此外，如何突破互易原理的限制，实现声波的非对称传输，已在国内外引起广泛关注，它被认为特别是在提高医学超声成像质量上具有潜在的应用前景。尽管近年来研究者们在线性和非线性领域对声学单向器件的设计领域进行了众多的探索，目前的单向器件仍只能够达到非对称传输的效果，并不能通过调整结构的设计参数，在单向传输的同时，实现对透射声波的特殊调控。尽管将声学单向传输与对声波自由调控的结合在实际中具有巨大意义，目前这一设计概念尚未被提出，相关的具体实现方案也未被成功地设计出来。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种声学单向超表面，基于声学相位调控阵列与零折射率材料的结合，达到声波的单向任意操控。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种声学单向超表面，包括
第一板，具有对入射声波进行相位调控的部件；
第二板，所述第二板的材料为零折射率材料；
所述第一板和第二板平行设置，第一板和第二板之间的间隙小于1mm，第一板和第二板通过位于第一板和第二板底部的薄片连接。
作为优选，所述第一板为一体成型的，包含若干个空间折叠型单元，所述空间折叠型单元由上下两块齿状结构拼接而成，每块齿状结构包含四个齿条和基板，四个齿条位于基板上，齿条之间构成缝隙，基板为相邻空间折叠型单元的一个齿条。
作为优选，齿条的高度为6.7mm，宽度为0.22mm，齿条末端与另一块齿状结构的距离为0.9mm，齿条之间的缝隙的宽度为0.9mm。
作为优选，所述第二板包含若干个并排连接的亥姆霍兹型声学超结构，每一个亥姆霍兹型声学超结构为四个亥姆霍兹共鸣器与一根直管道共通而成，四个亥姆霍兹共鸣器沿直管轴线并排排列，亥姆霍兹共鸣器的开口与直管连通，相邻亥姆霍兹型超结构具有共同的壁，即上一个亥姆霍兹型超结构最下方的腔壁是下一个结构最上方的直管壁，相邻亥姆霍兹型超结构的底部通过薄片连接。
有益效果：本发明的一种声学单向超表面，在单向传输的同时，实现对透射声波的单向任意操控，设计的超表面的厚度仅为0.57个波长，这将大大地促进它在实际中的应用，比如在集成声学器件上的使用。
附图说明
图1为本发明的原理示意图。
图2为本发明中单个亥姆霍兹型单元的结构示意图。
图3为本发明中的空间折叠型单元的结构示意图。
图4为本发明的局部结构示意图。
图5a和图5b为正向与反向入射情况下，声学单向异常透射的声压场分布图；图5c和图5d为正向与反向入射情况下，单向声束***的声压场分布图；图5e和图5f为正向与反向入射情况下，单向体波转化为表面波的声强分布图。
具体实施方式
如图1所示，我们所提出的声学单向超表面(图中用AOM表示)的设计概念由两部分组成：声学相位调控阵列(图中PA表示)和零折射率材料(图中用ZIM表示)。当声波从正方向(图中所示为超表面右侧)垂直入射到所设计的单向超表面时，声波先与零折射率材料接触，并且由于此时垂直入射的声波阵面在垂直表面的方向上具有统一的相位分布，这满足了零折射率材料的透射要求，因此入射声波将完全透过零折射率材料，到达声学相位调控阵列。此时，经过相位调控阵列对声波相位的特定调控，使得最终的透射声波的相位发生改变，从而产生所需要的透射声波，如图中紫色箭头所示。当声波从反方向(图中所示为超表面左侧)垂直入射到所设计的单向超表面时，声波首先将与相位调控阵列接触，此时透过阵列的声波相位已经发生改变，其在垂直超表面的方向上不再完全相同，因此，当透过相位调控阵列的声波到达零折射率材料时，不再满足零折射率材料的透射要求，声波将会被完全反射回去，如图中蓝色箭头所示。基于声学相位调控阵列与零折射率材料的结合，达到声波的单向任意操控。
如图2至图4所示，本发明的一种声学单向超表面，包括第一板2，具有对入射声波进行相位调控的部件；第二板1，所述第二板1的材料为零折射率材料，所述第一板2和第二板1平行设置，第一板2和第二板1之间的间隙小于1mm，第一板2和第二板1通过位于第一板2和第二板1底部的薄片连接，例如图2所示为xy平面，底部指z方向。第二板1在宽度上包含102个空间折叠型单元5，一个空间折叠型单元5的宽度和高度都为0.788cm，最小壁厚为0.22mm。空间折叠型单元5由上下两块齿状结构拼接而成，每块齿状结构包含四个齿条和基板，四个齿条位于基板上，齿条之间构成缝隙，基板为相邻空间折叠型单元5的一个齿条。所述齿条的高度为6.7mm，宽度为0.22mm，齿条的厚度是一个变化值，齿条末端与另一块齿状结构的距离为0.9mm，两个相邻之间的齿条之间的缝隙的宽度为0.9mm。第一板2利用亥姆霍兹型声学超结构制作，包含16个并排连接的亥姆霍兹型声学超结构，每一个亥姆霍兹型声学超结构为四个亥姆霍兹共鸣器4与一根直管3道共同而成，四个亥姆霍兹共鸣器4沿直管轴线3并排排列，亥姆霍兹共鸣器4的开口与直管3连通，相邻亥姆霍兹型超结构具有共同的壁，即上一个结构最下方的腔壁是下一个结构最上方的直管3壁，相邻亥姆霍兹型超结构的底部通过薄片连接，底部即z方向。四个亥姆霍兹共鸣器4腔体具有完全相同的几何尺寸，亥姆霍兹型声学超结构的整体宽度为3.3cm，高度1.25cm，结构的壁厚为0.5mm。通过调整亥姆霍兹四个共鸣器腔体的大小，可以实现对声波相位从0到2π范围的自由调控。整个结构在高度方向包含64个亥姆霍兹共鸣器4和102个空间折叠型单元5，总高度为0.805m。结构的尺寸可以根据入射声波的频率相应成比例地进行调整，以达到预期效果。每个亥姆霍兹型声学超结构y方向的总高度h相同，但其中腔体高度h2和直管的高度h1(y方向)都不同，不同的腔体高度h2决定了每个超结构所具有的不同相位调控能力，因此，整个亥姆霍兹型超表面的具体排列顺序是根据具体的相位分布要求而定的。
在本发明中，对第一板2和第二板1的组成材料没有严格限制，只需组成材料的声阻抗大于背景介质的声阻抗的200倍即可。以背景媒质为空气为例，空气的密度和声速分别为1.21kg/m3和343m/s，结构的材料可以是塑料、金属或者合金，本例中的材料使用ABS塑料，其密度和声速分别为1200kg/m3和2200m/s。本例中入射声波的频率为3430Hz，对应的波长为0.1m。
利用本实施例的亥姆霍兹型超结构和空间折叠型超结构组成的声学单向超表面，设计和实现了声学单向异常透射、单向声束***以及单向体波到表面波的转化。图5(a)和(b)分别是声波从正反向和反方向垂直入射到所设计的声学单向超表面后的声压场分布图。正向垂直入射的声波在经过单向超表面之后，将沿着预设的透射角出射，达到异常透射的效果，而反向垂直入射的声波将被阻挡并反射回去。我们计算了正反向与反方向两种情况下透射声能量的比值，定义阻隔系数为10log(IPD/IND)，其中IPD和IND分别为正方向与反方向的透射声能量。此处所实现的单向异常透射阻隔系数达到12.5dB，这说明其具有很好的单向传输效果。
图5(c)和(d)分别是正方向和反方向情况下单向声束***的声压场分布图。当声波沿正方向垂直入射到超表面时，声波将被***为两束并独立传播。而反向垂直入射的声波将被完全阻隔，不能透过所设计的单向超表面，此处实现的单向阻隔系数为13.2dB。图5(e)和(f)分别是正方向和反方向情况下单向体波到声表面波转化的声强分布图。类似地，正向垂直入射的体波经过超表面的作用后，被转化为仅能沿着超表面传播的声学表面波，而反向垂直入射的声波被完全反射，阻隔系数为12.1dB。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种声学单向超表面，其特征在于：包括
第一板，具有对入射声波进行相位调控的部件；
第二板，所述第二板的材料为零折射率材料；
所述第一板和第二板平行设置，第一板和第二板之间的间隙小于1mm，第一板和第二板通过位于第一板和第二板底部的薄片连接。
2.根据权利要求1所述的声学单向超表面，其特征在于：所述第一板为一体成型的，包含若干个空间折叠型单元，所述空间折叠型单元由上下两块齿状结构拼接而成，每块齿状结构包含四个齿条和基板，四个齿条位于基板上，齿条之间构成缝隙，基板为相邻空间折叠型单元的一个齿条。
3.根据权利要求2所述的声学单向超表面，其特征在于：所述齿条的高度为6.7mm，宽度为0.22mm，齿条末端与另一块齿状结构的距离为0.9mm，齿条之间的缝隙的宽度为0.9mm。
4.根据权利要求1所述的声学单向超表面，其特征在于：所述第二板包含若干个并排连接的亥姆霍兹型声学超结构，每一个亥姆霍兹型声学超结构为四个亥姆霍兹共鸣器与一根直管道共通而成，四个亥姆霍兹共鸣器沿直管轴线并排排列，亥姆霍兹共鸣器的开口与直管连通，相邻亥姆霍兹型超结构具有共同的壁，相邻亥姆霍兹型超结构的底部通过薄片连接，上一个结构最下方的腔壁是下一个结构最上方的直管壁。
5.根据权利要求1所述的声学单向超表面，其特征在于：所述第一板和第二板材料的声阻抗至少为背景介质的声阻抗的200倍。
6.根据权利要求5所述的声学单向超表面，其特征在于：所述第一板和第二板材料为塑料、金属或者合金。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160824 |