[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

说明书

本发明公开了一种利用非均匀Mie共振单元实现声定向辐射天线的方法，所述的声定向辐射天线是一种由具有相同结构的可旋转非均匀Mie共振单元组成的可调超构材料。当平面波垂直入射到超构材料的一端时，其能够实时动态控制透射声波辐射的方向，并保证较高的声波传输效率。本发明利用非均匀Mie共振单元的各向异性特性，根据广义斯涅尔定律，通过改变非均匀Mie共振单元的旋转角度来调整超构材料的相位分布从而实现对透射波声波辐射方向的调控。

技术领域

本发明涉及利用非均匀Mie共振结构，在声学超构材料的单元尺寸远小于声波波长的情况下，利用非均匀Mie共振结构的各向异性特性实现实时动态可调的声定向辐射天线的方法。

背景技术

声学超构材料是一种人工设计的材料，它通常是由周期性的亚波长结构单元组成，具有自然界的天然材料所不具备的性质。在近十年来，声学超构材料给声波调控方面带来了巨大进步。通过人为地设定和调节声学超构材料的形状和结构，能够实现对声波的反射、透射及吸收特性的调控。与调整声源的声波调控方式相比，声学超构材料可以在声波传播过程中对声波进行调整，让我们能够忽略声源，而是直接对声场进行灵活多变的调控。与一般的声学材料相比，声学超构材料具有亚波长特性，即声学超构材料的结构尺寸远小于波长尺寸。这就大大降低了声学超构材料的尺寸，拓宽了超构材料的应用范围，促进了声学器件小型化。通常来说，声学设备一旦由超构材料制备成形，结构的几何或材料参数将固定，相应的声压场、功能和工作频率几乎无法改变，这将限制其实际应用，所以对实时可调的声学超构材料研究是一个重要且有意义的课题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种利用非均匀Mie共振单元实现声定向辐射天线的方法，本发明采用超构材料构造声定向辐射天线，利用非均匀Mie共振单元的各向异性特性，改变非均匀Mie共振单元的旋转角度来实现实时动态可调的声波定向辐射。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种利用非均匀Mie共振单元实现声定向辐射天线的方法，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，通过改变旋转角度可以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可达到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，可以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可以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。透射声波辐射角可以写成：

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可以改变超构材料水平方向上的相位分布，从而可以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。

作为优选，本发明的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。在这个频率下非均匀Mie共振单元折射率接近0，可以实现较高的透射率。