CN108417197A - 一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置 - Google Patents

一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置，包括上下对称布置的超颖表面安装板、超颖表面单元和支撑架，上下超颖表面单元之间形成夹缝，超颖表面单元穿过夹缝位与上下对称布置的超颖表面安装板相连，超颖表面安装板与支撑架相连，支撑架用于支撑超颖表面安装板。本发明所提供的一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置，结构简单，装拆方便，超颖表面单元可以移动，相比于折叠式的超颖表面灵活性与可调性更强。

Description

一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置
技术领域
本发明属于声波波阵面控制的声学器件技术领域，具体涉及一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置。
背景技术
声波是一种机械波，通常表现为纵波，其传播实质是能量在介质中的传递。随着科技的进步，声学在水下勘探，地下勘探，生物医学，军事武器等领域都得到了重要的应用。
近年来出现的超颖材料和超颖表面具备天然材料所不具备特殊性能，如负折射等，他们对电磁波领域产生了重大影响，考虑到声波和电磁波性质相似，将超颖表面引入声学领域为声波波阵面操控等问题提供了新的解决方法。目前较多的声学超颖表面采用空间折叠式的结构，他们虽然能实现波阵面操控，但结构复杂，传输效率低，传输频带窄。
由广义斯奈尔定律可知，控制声波的相位梯度便可控制折射角。亥姆霍兹共振腔是一种典型的声学元件，其结构简单，利用亥姆霍兹共振腔有效体积模量的变化来控制声波相位梯度是一种简单易行的方法。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种具有较高传输效率，能够对沿其法向摄入的平面波进行任意波阵面操控的基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置，包括上下对称布置的超颖表面安装板、超颖表面单元和支撑架，上下超颖表面单元之间形成夹缝，超颖表面单元穿过夹缝位与上下对称布置的超颖表面安装板相连，超颖表面安装板与支撑架相连，支撑架用于支撑超颖表面安装板。
优选地，所述超颖表面安装板的横截面为弓形盘状结构，超颖表面安装板上设有凹槽，超颖表面单元通过凹槽与超颖表面安装板相连；超颖表面安装板上设有弓形柱腔和安装孔，弓形柱腔内部填充有消音棉，超颖表面安装板通过安装孔与平面波管相连。
优选地，所述超颖表面单元包括超颖表面基底、超颖表面盖板和超颖表面固定件，超颖表面基底表面内凹形成凹槽，超颖表面盖板放置于超颖表面基底的凹槽中；超颖表面基底的凹槽上设有圆柱腔沉孔，超颖表面盖板上设有超颖表面盖板细孔，超颖表面盖板细孔与圆柱腔沉孔对应；超颖表面固定件通过螺钉将超颖表面基底和超颖表面盖板固定连接。
优选地，所述圆柱腔沉孔的数量为四，圆柱腔沉孔呈线性排列在超颖表面基底的凹槽中。
优选地，所述支撑架上连接有超颖表面夹块，超颖表面夹块与超颖表面安装板通过螺钉相连。
优选地，所述超颖表面单元与超颖表面安装板通过上下布置的夹紧螺钉相连，夹紧螺钉用于调节超颖表面单元在超颖表面安装板中间的位置。
优选地，所述夹缝中安装有消音棉。
本发明的有益效果是：
1、本发明所提供的一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置，结构简单，装拆方便，超颖表面单元可以移动，相比于折叠式的超颖表面灵活性与可调性更强。
2、本发明不仅仅是利用共振频率，传输频带比折叠式的超颖表面宽，具有更高的传输效率。
3、超颖表面单元的可调性充分拓展了超颖表面的功能，只要更改超颖表面单元的单缝宽度便可实现不同的相位梯度分布，从而实现不同的折射角的声波操控。能实现的声波波阵面操纵有平面波异常折射，无衍射贝塞尔波束，声波汇聚等。
4、超颖表面与其他装置的组合灵活，超颖表面安装板上有法兰结构以及螺栓孔，可与平面波管，传感检测模块连接，构成完整的实验设备用来探究超颖表面的频率、阻抗以及更多特性。
附图说明
图1是本发明一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置的结构示意图；
图2是本发明超颖表面安装板的结构示意图；
图3是本发明图2在A-A方向上的剖视图；
图4是本发明图1的半剖结构示意图；
图5是本发明图4在B-B方向上的剖视图；
图6是本发明进行声波汇聚的示意图。
附图标记说明：20、超颖表面安装板；21、超颖表面单元；22、支撑架；23、弓形柱腔；24、安装孔；25、超颖表面基底；26、超颖表面盖板；27、超颖表面固定件；28、圆柱腔沉孔；29、超颖表面盖板细孔；201、超颖表面夹块；202、夹紧螺栓；203、消音棉。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1到图6所示，本发明提供的一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置，包括上下对称布置的超颖表面安装板20、超颖表面单元21和支撑架22，上下超颖表面单元21之间形成夹缝，夹缝中安装有消音棉203。超颖表面单元21穿过夹缝位与上下对称布置的超颖表面安装板20相连，超颖表面安装板20与支撑架22相连，支撑架22用于支撑超颖表面安装板20。
超颖表面安装板20的横截面为弓形盘状结构，超颖表面安装板20上设有凹槽，超颖表面单元21通过凹槽与超颖表面安装板20相连；超颖表面安装板20上设有弓形柱腔23和安装孔24，弓形柱腔23内部填充有消音棉203，超颖表面安装板20通过安装孔24与平面波管相连。
超颖表面安装板20可以通过安装孔24与其它装置进行灵活的组合，可与平面波管，传感检测模块连接，构成完整的实验设备用来探究超颖表面的频率、阻抗以及更多特性。
超颖表面单元21包括超颖表面基底25、超颖表面盖板26和超颖表面固定件27，超颖表面基底25表面内凹形成凹槽，超颖表面盖板26放置于超颖表面基底25的凹槽中；超颖表面基底25的凹槽上设有圆柱腔沉孔28，超颖表面盖板26上设有超颖表面盖板细孔29，超颖表面盖板细孔29与圆柱腔沉孔28对应；超颖表面固定件27通过螺钉将超颖表面基底25和超颖表面盖板26固定连接。圆柱腔沉孔28的数量为四，圆柱腔沉孔28呈线性排列在超颖表面基底25的凹槽中。
在本实施例中，多个超颖表面单元21间隔的布置在超颖表面安装板20之间。相邻超颖表面单元21之间的间隙为单缝，通过更改相邻超颖表面单元21的单缝宽度便可实现不同的相位梯度分布，从而实现不同的折射角的声波操控，还能实现的声波波阵面操纵有平面波异常折射，无衍射贝塞尔波束，声波汇聚等。
超颖表面单元21与超颖表面安装板20通过上下布置的夹紧螺栓202相连，夹紧螺栓202用于调节超颖表面单元21在超颖表面安装板20中间的位置。在本实施例中，可根据设计需要进行调节超颖表面单元21在超颖表面安装板20中间的位置，从而达到最佳的使用效果和要求。
支撑架22上连接有超颖表面夹块201，超颖表面夹块201与超颖表面安装板20通过螺钉相连。
本发明的工作过程和原理是：
首先确定声波频率以及想要实现的声波操纵形式，从而确定超颖表面单元21的放置位置，具体过程如下：
本发明采用了亥姆霍兹共振腔(Helmholtz resonator,HR)实现声波的异常折射。图4所展示的超颖表面单元21由阵列的HR组成，其尺寸结构见图5。该单元的等效体积模量可表示为：
式中，是空气的体积模量，F＝ab/Ld是HR腔体和单缝部分的面积比，ω0是HR的共振频率，Γ是HR的固有损失。等式(1)表示超颖表面的单元21有2个特征频率和其中是表征HR腔体弹簧效应的声容，MHR＝ρ0heff/l是与在HR喉部中的空气质量所对应的声质量，heff是喉部的有效长度。在ω0＜ω＜ωn的频率范围内，有效体积模量的实部是负值。根据声波波动方程和牛顿定律可知，HR的存在不会影响有效质量。因此，有效声速可以表达成超颖表面单元21的波矢量可表达成在ω0＜ω＜ωn的频率范围内，波矢量为虚数，声波在x方向迅速衰减，不能穿过超颖表面。在其他频率范围如ω＜ω0，ω＞ωn，波矢量为实数，声波能很好地穿过超颖表面。忽略固有损失，超颖表面单元21中的有效声速的倒数可以写成：
等式(2)指出：(i)随着频率从ω0衰减到0，有效声速从0增加到该值小于空气中的声速c0。(ii)在ω＞ωn的频率范围内，随着频率的增加，有效声速从无穷大减少到0。(iii)声速受HR腔体和单缝部分的面积比F影响。对于小于ω0的频率，有效声速值与F成反比。适当地选取单缝宽度，F的值也会同时改变，并且d与F之间存在反比关系。因此，当频率ω＜ω0时，通过改变单缝宽度我们可以轻易地得到理想的声速梯度。
声波穿过超颖表面之后，会出现声波相位不连续现象。一般地，任意波阵面操作都可以由广义斯奈尔定律指导。穿过声学超颖表面的传输声波可写作下式：
式中，θt(y)，θi(y)分别是折射角和入射角。Φ(y)为相位因子，k0＝ω/c0为空气中的波矢量。我们发现，通过改变相位因子的梯度，入射声波可以被任意折射。当有一个在我们感兴趣的频率范围内的平面波沿超颖表面法向入射(即θi(y)＝0)，通过选取超颖表面单元21的单缝宽度，可以得到梯度分布的减缓声速。相位梯度可写作其中c(y)是沿着超颖表面y方向的速度。将相位梯度带入等式(3)，折射角可写作：
等式(4)表明，折射角直接由1/c(y)的梯度决定。因此，通过调整速度倒数梯度项，可以实现任意波阵面的操纵，即：
以声波汇聚为例，计算实现声波波阵面操控所需的单缝宽度步骤如下。图6展示了声波汇聚概念原理图，所设计的超颖表面能将入射的平面波汇聚到焦点(x0，0)上，折射角的正弦值可写作：
则沿着y方向的速度倒数分布可以写作如下等式：
式中x0为焦点的横坐标，在超颖表面中点处有最小速度c(0)＝cmin(0)。在超颖表面边缘处有最大速度将速度倒数带入等式(2)，即可反解出单缝宽度d。
求解出超颖表面单元21的单缝宽度之后，用游标卡尺准确地放置超颖表面单元21，并用夹紧螺栓202将其位置固定，在超颖表面安装板20的半月形凹槽内和超颖表面安装板20上的凹槽两侧放置消音棉23，确保声波只能从超颖表面传输到环境，且不会在超颖表面安装板上反射，影响超颖表面效果。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置，其特征在于：包括上下对称布置的超颖表面安装板(20)、超颖表面单元(21)和支撑架(22)，上下超颖表面单元(21)之间形成夹缝，超颖表面单元(21)穿过夹缝位与上下对称布置的超颖表面安装板(20)相连，超颖表面安装板(20)与支撑架(22)相连，支撑架(22)用于支撑超颖表面安装板(20)。
2.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置，其特征在于：所述超颖表面安装板(20)的横截面为弓形盘状结构，超颖表面安装板(20)上设有凹槽，超颖表面单元(21)通过凹槽与超颖表面安装板(20)相连；超颖表面安装板(20)上设有弓形柱腔(23)和安装孔(24)，弓形柱腔(23)内部填充有消音棉(203)，超颖表面安装板(20)通过安装孔(24)与平面波管相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置，其特征在于：所述超颖表面单元(21)包括超颖表面基底(25)、超颖表面盖板(26)和超颖表面固定件(27)，超颖表面基底(25)表面内凹形成凹槽，超颖表面盖板(26)放置于超颖表面基底(25)的凹槽中；超颖表面基底(25)的凹槽上设有圆柱腔沉孔(28)，超颖表面盖板(26)上设有超颖表面盖板细孔(29)，超颖表面盖板细孔(29)与圆柱腔沉孔(28)对应；超颖表面固定件(27)通过螺钉将超颖表面基底(25)和超颖表面盖板(26)固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置，其特征在于：所述圆柱腔沉孔(28)的数量为四，圆柱腔沉孔(28)呈线性排列在超颖表面基底(25)的凹槽中。
5.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置，其特征在于：所述支撑架(22)上连接有超颖表面夹块(201)，超颖表面夹块(201)与超颖表面安装板(20)通过螺钉相连。
6.根据权利要求2所述的一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置，其特征在于：所述超颖表面单元(21)与超颖表面安装板(20)通过上下布置的夹紧螺栓(202)相连，夹紧螺栓(202)用于调节超颖表面单元(21)在超颖表面安装板(20)中间的位置。
7.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹共振腔的声学超颖表面装置，其特征在于：所述夹缝中安装有消音棉(203)。
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