[发明专利]一种可调控水下声波反射角的超薄声学超表面

说明书

一种可调控水下声波反射角的超薄声学超表面属于声学超表面技术领域，解决了声学超表面的单元结构尺寸较大，水中低频声波难以调控，对材料要求高的技术问题，包括第一均匀介质、第二均匀介质、第三均匀介质、第四均匀介质、第五均匀介质、第六均匀介质、第七均匀介质、第八均匀介质、隔板以及底板；本装置通过改变介质高度来设计超表面，结构简单。通过调节周期宽度d与波长λ的关系来调节反射波的角度，变化参量少。本装置有效减小了超表面的尺寸，厚度较小。本装置在任意入射角度均可以实现异常反射现象。

技术领域

本发明属于声学超表面技术领域，具体涉及一种可调控水下声波反射角的超薄声学超表面。

背景技术

声波是一种为人们所熟悉的纵波，是能量在空间传递的一种重要表现形式，广泛存在于自然界中并与人类日常生活息息相关。声学超表面是一种特殊的声学超材料，它由超材料单元组成，目前多种超材料单元已经被用于超表面，例如迷宫结构单元，亥姆霍兹共振腔结构单元，五模结构单元等等。亚波长尺寸的结构是声学超表面最显著的特征，可以看出，相对于超构材料，超构表面具有结构简单、效率高、体积小以及易加工等优点，这使得超表面更易于集成和制作，因此掀起了波束调控的研究热潮，如异常反射和透射，声聚焦，声隐身，完美声吸收等，它们在医疗、通信、检测以及军事等方面均有广泛的应用前景。

目前最常见的声学超表面结构包括：(1)折叠空间结构(Li Y,Liang B,Gu Z,etal.Reflected wavefront manipulation based on ultrathin planar acousticmetasurfaces[J].Scientific Reports,2013,3(7464):2546.)。该结构使用折叠空间延长声波的传播路径，达到延迟反射相位的目的。(2)亥姆霍兹共振腔结构(Liu B,Zhao W,Jiang Y.Apparent Negative Reflection with the Gradient Acoustic Metasurfaceby Integrating Supercell Periodicity into the Generalized Law of Reflection[J].Scientific Reports,2016,6(1):38314.)。通过改变亥姆霍兹共振腔的腔体容积实现对声波相位的调控。(3)“螺丝-螺母”结构(Fan S W,Zhao S D,Chen A L,et al.TunableBroadband Reflective Acoustic Metasurface[J].Physical Review Applied,11,044038(2019))。通过调节螺丝的旋拧深度改变反射相位，从而实现异常反射等声学现象。

以上结构均可实现对反射波的任意调控功能，但是大多数超表面都是应用与空气之中的，目前关于水中超表面的研究较少，并且由于同频率下水中的波长是空气中波长的5倍，在水中制作的超表面尺寸较大，导致水中的低频声波难以调控；与空气超表面不同的是，在水中很难寻找到可以视为绝对硬边界的材料，对材料要求较高，因此折叠空间型以及亥姆霍兹共振腔型超表面很难应用与水中。因此，制作一种结构轻薄、制作简单的超表面的结构用于水下反射声波的调控，是非常有必要的。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种可调控水下声波反射角的超薄声学超表面，解决了声学超表面的单元结构尺寸较大，水中低频声波难以调控，对材料要求高的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：