[发明专利]一种反射型波前调控的超表面结构及其使用方法

说明书

本发明提供了一种反射型波前调控的超表面结构，所述超表面结构由若干个单胞结构按设定规则排列而成；所述单胞结构包括螺旋结构、穿孔基体和匹配旋塞，所述螺旋结构由矩形叶片绕中心圆柱盘绕而成，所述穿孔基体为中心具有圆孔的长方体，所述匹配旋塞由完整柱体去除所述螺旋结构后的剩余部分组成。先将所述螺旋结构拧入所述穿孔基体的圆孔中形成螺旋状的空气通道，再将所述匹配旋塞旋入所述空气通道中，用于调控反射声波传播的路径长度。本发明利用单胞结构的可编码性，通过将匹配旋塞自下而上的旋拧进由螺旋结构和穿孔基体组成的螺旋状空气通道当中，来改变声波反射相位以及传播模式，从而实现连续可调的反射型波前调控。

技术领域

本发明涉及声学超表面结构技术领域，尤其涉及一种反射型波前调控的超表面结构及其使用方法。

背景技术

超表面结构是指一种厚度小于波长的人工层状材料，与传统大体积且结构固定的超材料相比具有超薄轻质易加工的优点。通过对超表面结构面内亚波长的微结构设计，可以实现对波动相位、极化方式和传播模式等特性的调控。超表面结构最早是在电磁波方面提出的，近五年开始逐渐拓展到声学领域，还将有望被引入到对弹性波的操控之中。国内外众多学者、科学家和工程师在声学超表面结构的机理分析、仿真建模、优化设计和实验验证等方面进行了许多有益的探索，并在通信工程、医学检测、航空航天和国防建设等领域展现了广阔的应用前景。

相继提出的若干声学超表面结构形式，主要包括：空间盘绕型、波纹梳状型和亥姆霍兹共振型三类。由于空间盘绕型声学超表面结构设计灵活且调控高效，受到了最多的关注。然而，对于空间盘绕型声学超表面结构来说，由于研究历史不长，还存在很多亟待解决的科学问题和技术困难，例如，工作频率范围窄(限制在某一中心频率附近)、结构表面形状少(主要为平面直线型)、缺乏可调性(一旦加工成型将无法再改变几何尺寸)以及声学功能单一(仅能实现某种特定的声学功能)等等。

发明内容

本发明提供了一种连续可调的反射型波前调控的超表面结构，突破上述科学和技术瓶颈，利用单胞结构的可编码性，通过将匹配旋塞自下而上的旋拧进由螺旋结构和穿孔基体组成的螺旋状空气通道当中，来改变声波反射相位以及传播模式，从而实现连续可调的反射型波前调控。本发明所述的超表面结构是从理论设计走向器件应用的关键。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种反射型波前调控的超表面结构，其特征在于，所述超表面结构由若干个单胞结构按设定规则排列而成；

所述单胞结构包括螺旋结构、穿孔基体和匹配旋塞，所述螺旋结构由矩形叶片绕中心圆柱盘绕而成，所述穿孔基体为中心具有圆孔的长方体，所述匹配旋塞由完整柱体去除所述螺旋结构后的剩余部分组成。

进一步的，先将所述螺旋结构拧入所述穿孔基体的圆孔中形成螺旋状的空气通道，再将所述匹配旋塞旋入所述空气通道中，用于调控反射声波传播的路径长度，随着所述匹配旋塞旋入高度的持续变化，用于连续调控所述路径长度。

进一步的，所述圆孔内壁上设有与所述螺旋结构相匹配的螺纹。

进一步的，所述匹配旋塞的外径与所述圆孔的直径相等，所述匹配旋塞的内径与所述螺旋结构的中心圆柱直径相等，所述匹配旋塞的螺旋缝隙高度以及螺距与所述螺旋结构的矩形叶片厚度以及螺距相等。

进一步的，所述单胞结构具有可编码性，所述设定规则排列包括：直线型梁、正方型板和圆弧型梁，所述超表面结构所包含的单胞结构个数由所述设定规则排列的结构类型决定，不同规则排列的超表面结构所产生的声学功能不同。

进一步的，所述匹配旋塞拧进所述空气通道的方向为自下而上。

一种如本发明所述的超表面结构的使用方法，该方法包括，