旋转式的宽频可调声学超表面制造技术

本公开提供一种旋转式的宽频可调声学超表面，包括沿水平方向并排设置的多个单胞单元，单胞单元被构造成大致立方体结构，单胞单元的内部限定与外部相连通的共振腔；共振腔的面对声源的一侧设置有具有矩形开口的颈部，颈部包括被构造成与矩形开口的截面积相同矩形颈及向共振腔的内侧延伸的锥形颈，锥形颈配置有可调节的第一面；其中，每个单胞单元被构造成响应于第一面的延伸方向与水平方向形成的第一夹角，调节经矩形开口输入的平面波形的声波的相位差，以使声波定向反射或定点聚焦

【技术实现步骤摘要】
旋转式的宽频可调声学超表面


[0001]本公开的至少一种实施例涉及声波控制
，更具体地，涉及一种声学超表面
。

技术介绍

[0002]声学超表面是一种用于调控声波传播的结构，多由一系列周期性或非周期性的单胞单元组成
。
单胞单元适用于控制局部的声波相位和
/
或幅值，以实现对声场的调控，从而实现所需的功能
。
例如，对声波的定向反射
、
定点聚焦
、
吸声及隔声中的至少一种
。
[0003]目前，依据单胞单元的类型可将声学超表面大体划分为迷宫型
、
亥姆霍兹共振腔型及膜型超表面三类，但上述的声学超表面只能针对特定频率的声波实现特定的功能，如上述的定向反射
、
定点聚焦
、
吸声及隔声中的一种
。
因此，无法适应不同工况下的声波调控需求
。
[0004]为此，可采用调节整个超表面的方位
、
引入外场等方式，以部分实现对声学超表面的调控
。
但上述的采用调节整个超表面的方位的方式无法实现大范围，连续性的调控；而上述的引入外场的方式，则相应增加了系统的复杂性及控制难度
。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中的上述以及其他方面的至少一种技术问题，本公开提供一种声学超表面，通过所配置的可调节的第一面，可改变单胞单元的等效阻抗，从而影响入射声波的相位差，以改变声学超表面的相位梯度，从而实现声学超表面对声波定向反射及定点聚焦的功能切换
。
[0006]本公开的实施例提供一种声学超表面，包括沿水平方向并排设置的多个单胞单元，上述单胞单元被构造成大致立方体结构，上述单胞单元的内部限定与外部相连通的共振腔；上述共振腔的面对声源的一侧设置有具有矩形开口的颈部，上述颈部包括被构造成与上述矩形开口的截面积相同矩形颈及向上述共振腔的内侧延伸的锥形颈，上述锥形颈配置有可调节的第一面；其中，每个上述单胞单元被构造成响应于上述第一面的延伸方向与水平方向形成的第一夹角，调节经上述矩形开口输入的平面波形的声波的相位差，以使上述声波定向反射或定点聚焦
。
[0007]根据本公开的实施例，上述单胞单元包括：框架，被构造成大致立方体的结构，上述框架的内部限定至少一个上述共振腔，上述共振腔的上部形成上述矩形开口；以及叶片对，包括两个叶片，两个上述叶片对称设置于上述矩形开口的相面对的两侧，上述叶片的上表面用作上述第一面
。
[0008]根据本公开的实施例，上述框架的上部的两侧对称设置有向上述框架的内侧凸出并沿上述水平方向延伸的凸出部，两个上述凸出部之间形成上述矩形开口
。
[0009]根据本公开的实施例，上述叶片可旋转地配置于上述框架上，具有相对于上述矩形开口定轴旋转的旋转状态，及相对于上述矩形开口静止的固定状态，以调节上述第一夹
角的角度
。
[0010]根据本公开的实施例，上述共振腔被构造成轴对称结构
。
[0011]根据本公开的实施例，上述单胞单元的内部设置有多个相串联的上述共振腔
。
[0012]根据本公开的实施例，多个上述共振腔沿上述单胞单元的高度方向层叠设置；其中，位于上部的上述共振腔的上述矩形开口用作输入上述声波的入射侧
。
[0013]根据本公开的实施例，上述矩形开口设置于上述共振腔的中部，多个上述矩形开口沿上述共振腔的高度方向的正投影相重合
。
[0014]根据本公开的实施例，同一上述单胞单元的中的每个上述共振腔的上述锥形颈形成的上述第一夹角的角度均相同
。
[0015]根据本公开的实施例，同一上述单胞单元的中的至少一部分上述共振腔的上述锥形颈形成的第一夹角被构造成与其他上述共振腔的上述锥形颈形成的上述第一夹角的角度不同
。
[0016]根据本公开提供的声学超表面，通过所配置的可调节的第一面，可连续的调节第一夹角的角度，单胞单元的阻抗和
/
或相位差响应于第一夹角的角度发生变化，从而改变声学超表面的相位梯度，以实现声学超表面对声波定向反射及定点聚焦的功能切换
。
附图说明
[0017]图1是根据本公开的一种示意性的实施例的声学超表面的截面图；
[0018]图2是图1所示的示意性的实施例的单胞单元的局部放大图；
[0019]图3是图1所示的示意性的实施例的单胞单元的有限元等效模型；图3的
a
是通过透反射系数法求解单胞单元的阻抗和相位差过程中所采用的有限元模型；图3的
b
是有限元模型所采用的网格；图3的
c
是配置四个共振腔的单胞单元的等效阻抗与第一夹角
θ
的关系图，示出了有限元仿真解与理论解的对比；图3的
c
是配置四个共振腔的单胞单元的相位差与第一夹角
θ
的关系图，示出了有限元仿真解与理论解的对比；
[0020]图4是根据本公开的一种示意性的实施例的声学超表面对垂直入射的声波进行定向反射的相位差变化图；
[0021]图5是针对图4所示的示意性的实施例的声学超表面对垂直入射的声波进行定向反射的有限元模拟图；
[0022]图6是针对图4所示的示意性的实施例的声学超表面对垂直入射的声波进行定向反射的散射声场的能流分布图；
[0023]图7是根据本公开的另一种示意性的实施例的声学超表面的截面图；
[0024]图8是针对图7所示的示意性的实施例的声学超表面对声波的操控示意图；图8的
a
是的声场时域图，示出了第
11.36ms
的云图；图8的
b
是仿真得到的
1436Hz
的频域声场；
[0025]图9根据本公开的一种示意性的实施例的声学超表面对垂直入射的声波进行定点聚焦的相位差变化图；
[0026]图
10
是针对图9所示的示意性的实施例的声学超表面对垂直入射的声波进行定点聚焦的有限元模拟图；以及
[0027]图
11
是针对图9所示的示意性的实施例的声学超表面对垂直入射的声波进行定点聚焦的散射声场的能量沿焦点所在水平截线的分布图
。
[0028]所述附图中，附图标记含义具体如下：
[0029]1、
框架；
[0030]11、
共振腔；
[0031]111、
矩形开口；
[0032]112、
矩形颈；
[0033]113、
锥形颈；
[0034]12、
颈部；以及
[0035]2、
叶片
。
具体实施方式
[0036]为使本公开的目的
、
技术方案和优点更加清楚明白，以下结合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种旋转式的宽频可调声学超表面，其特征在于，包括沿水平方向并排设置的多个单胞单元，所述单胞单元的内部限定与外部相连通的共振腔
(11)
；所述共振腔
(11)
的面对声源的一侧设置有具有矩形开口
(111)
的颈部
(12)
，所述颈部
(12)
包括被构造成与所述矩形开口
(111)
的截面积相同矩形颈
(112)
及向所述共振腔
(11)
的内侧延伸的锥形颈
(113)
，所述锥形颈
(113)
配置有可调节的第一面；其中，每个所述单胞单元被构造成响应于所述第一面的延伸方向与水平方向形成的第一夹角，调节经所述矩形开口
(111)
输入的平面波形的声波的相位差，以使所述声波定向反射或定点聚焦
。2.
根据权利要求1所述的超表面，其特征在于，所述单胞单元包括：框架
(1)
，被构造成大致立方体的结构，所述框架
(1)
的内部限定至少一个所述共振腔
(11)
，所述共振腔
(11)
的上部形成所述矩形开口
(111)
；以及叶片对，包括两个叶片
(2)
，两个所述叶片对称设置于所述矩形开口
(111)
的相面对的两侧，所述叶片
(2)
的上表面用作所述第一面
。3.
根据权利要求2所述的超表面，其特征在于，所述框架
(1)
的上部的两侧对称设置有向所述框架
(1)
的内侧凸出并沿所述水平方向延伸的凸出部，两个所述凸出部之间形成所述矩形开口
(111)。4.
根据权利要求3所述的超表面，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凯，韩培新，刘润泉，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：