[发明专利]基于磁场控制的弯曲波立柱型磁弹超表面及其操作方法

说明书

本发明提供了基于磁场控制的弯曲波立柱型磁弹超表面及其操作方法，涉及人工超材料技术领域，包括：单胞结构单元和铝合金基板层；若干个所述单胞结构单元周期性均匀排列且与铝合金基板层粘连形成超表面结构，铝合金基板采用的是板状结构，单胞结构单元包括柱状谐振体单元，且每两个单胞结构单元之间设有槽，将智能材料与超表面结构相结合制成的超表面，在波束传播方向上具有亚波长量级，通过磁场强度的不同可以对弹性波的振幅、相位、等参量进行调节和控制，解决当前超表面结构与适用功能单一的问题。

技术领域

本发明涉及新型人工超材料技术领域，特别涉及基于磁场控制的弯曲波立柱型磁弹超表 面及其操作方法。

背景技术

超表面是一种新型的人工材料，具有小体积调控大波长的特性，它是由单胞结构按突变 型宏观“序”排列在一起形成的在波的传播方向上具有亚波长厚度的二维型超材料，它可以 有效地操控波的振幅、相位、传播方向等，超表面突破了体积大、结构复杂、成本高、损耗 大等局限性，从而更加容易制备，因此，超表面在、隐身、成像、无损检测、换能器、隔振 降噪等诸多领域表现出巨大的应用前景。

最早提出超表面的概念是应用于对电磁波的调控研究中，之后类比于声学、光学当中随 后引入到弹性波领域形成弹性波超表面的概念。目前对于利用相位调制超表面的研究已经比 较成熟，主要是通过不同的单胞结构改变不同的相位梯度，然后实现对入射弹性波相位和幅 度的控制，最终达到对弹性波的异常折射、聚焦和自弯曲等功能的实现。

超表面一旦制成之后其整体结构尺寸便是固定的，所适用的范围也就是固定的，如要修 改其单胞结构或用于实现其他功能，便只能重新制作和加工新的超表面结构。为了打破限制 尝试通过改变超表面单胞的结构尺寸来实现对弹性波的调控：例如，基于螺丝-螺母工作原理 设计了可调的螺旋单元，通过调节单元旋进深度来改变相位分布，从而使超表面实现异常折 射，波束聚焦和自弯曲波束功能。随着科学的发展调节超表面的方式除了调节超表面单胞的 结构尺寸之外还通过引入智能型材料，例如引入压电片陶瓷材料、磁致伸缩材料制成的超表 面结构也能够实现对弹性波的灵活调控。磁流变弹性体材料是一种磁敏材料，这种材料能表 现出磁弹效应，例如：磁致应力、变形和模量的变化。目前磁流变弹性体这种智能材料超表 面结构相结合的研究时间较短，其仍然尚有诸多改进空间。

基于上述，本发明通过引入一种磁流变弹性体智能材料将它与立柱型结构相结合，设计 一种基于磁场控制的弯曲波立柱型磁弹超表面，旨在能够任意操纵弯曲波而不改变主体结构， 解决当前超表面被设计出来，其结构与适用功能单一的问题，而提供一种基于磁场控制的弯 曲波立柱型磁弹超表面，推动主动控制型超表面的进一步发展。

发明内容

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了基于磁场控制的弯曲波立柱型磁弹超表面及其操作方法，具体包括：单胞 结构单元和铝合金基板层；若干个所述单胞结构单元周期性均匀排列且与铝合金基板层粘连 形成超表面结构，铝合金基板采用的是板状结构，单胞结构单元包括柱状谐振体单元，且每 两个单胞结构单元之间设有槽。

可选地，所述柱状谐振体单元是磁流变弹性体材料，柱状谐振体单元的长度d1为2mm， 高度h为3.22mm，宽度W1为波长的5/14倍。

可选地，所述单胞结构单元由11个间隔I₀为1mm的柱状谐振体单元组成，且单胞结构单 元的宽度和高度均与柱状谐振体单元一致，单胞结构单元的长度d为32mm，且单胞结构单元 垂直粘黏于铝合金基板上并通过磁场强度控制磁流变弹性体材料的杨氏模量进一步调节入射 波的相位，用以达到弯曲波的全相位功能的目的。

可选地，所述铝合金基板层上设有槽，槽间隔在两个单胞结构单元之间，槽的高度与铝 合金基板层的高度一致，且槽的宽度W2为波长的2/14倍。