[发明专利]一种利用非均匀Mie共振单元实现声定向辐射天线的方法

权利要求书

1.一种利用非均匀Mie共振单元实现声定向辐射天线的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将6个圆形非均匀Mie共振单元串联为一个相位单元，其中每个非均匀Mie共振单元的结构是固定的，旋转角度是可变的；当声波从一端入射时，通过改变旋转角度改变透射声波的相位和透射率；

对于由6个圆形非均匀Mie共振串联而成的相位单元，当其内部的非均匀Mie共振单元的旋转角度在范围内，除了和两个范围外，其他旋转角度情况下的相位单元的透射率均达到0.65以上；此外，在范围内，透射声波的相位从π递减到-π，同时对应相位单元透射率大于0.65，实现高透射情况下对声波全相位调控；

S2：结合前述得到的相位单元，将其并联组成超构材料，通过改变每个相位单元的旋转角度便改变超构材料水平方向上的相位分布；前述超构材料的相位梯度与透射声波辐射角根据广义斯涅耳定理满足下述公式：

其中θ_re和θ_i分别表示透射声波辐射角和入射角；x是沿着超构材料的横向坐标，Φ(x)是超构材料沿x的相位分布，k₀是空气中的波数，相位梯度ξ＝dΦ(x)/dx；透射声波辐射角写成：

由此θ_re的表达式可以看出，保持入射声波垂直入射不变，通过改变超构材料的相位梯度ξ＝dΦ(x)/dx可以调控透射声波辐射的方向；在相位单元数量不变的情况下，结合前述改变每个相位单元的旋转角度改变超构材料水平方向上的相位分布，从而调控透射声波辐射的方向；相位梯度为正，透射声波辐射角为负，相位梯度为负，透射声波辐射角为正，相位梯度为零，透射声波垂直x轴向外辐射。

2.根据权利要求1所述的一种利用非均匀Mie共振单元实现声定向辐射天线的方法，其特征在于：所述超构材料的工作频率为781.5Hz，即入射声波的频率保持在781.5Hz。

3.根据权利要求1所述的一种利用非均匀Mie共振单元实现声定向辐射天线的方法，其特征在于：圆形非均匀Mie共振单元嵌入于一个边长a＝7.2cm的空气方阵中；方阵的上下边界为硬边界，圆形非均匀Mie共振单元由一个中心圆腔和周围四组相互连接的曲折通道组成；其中两组通道占总圆的2/3，另外两组占总圆的1/3；Mie共振单元的外圆和内圆的半径分别为R₁＝3cm和r₁＝0.5cm；曲折通道的壁厚d＝0.064R₁，缝隙宽度t＝0.064R₁，弯折次数N＝6；曲折通道的壁是硬墙壁。

4.根据权利要求3所述的一种利用非均匀Mie共振单元实现声定向辐射天线的方法，其特征在于：圆形非均匀Mie共振单元以其圆心为中心点旋转，旋转角度为代表逆时针旋转，代表顺时针旋转；代表Mie共振单元不旋转，此时透射声波的相位和入射声波相同。

5.根据权利要求1所述的一种利用非均匀Mie共振单元实现声定向辐射天线的方法，其特征在于：将相位单元在x轴方向上周期性排列，并联成可调超构材料时，所用到的相位单元个数为24个，即用到的非均匀Mie共振单元个数总共为144个，而这144个非均匀Mie共振单元的结构是相同的，旋转角度按照声波定向辐射的角度进行相应的设置。