一种声学超表面的制作方法

本发明涉及声学材料技术领域，具体而言，涉及一种声学超表面。

背景技术：

目前，声波的非对称传输已在国内外引起广泛关注，它被认为特别是在提高医学超声成像质量上具有潜在的应用前景。尽管近年来研究者们在线性和非线性领域对声学单向器件的设计领域进行了众多的探索，目前的非对称器件仍是由声模式转化和声模式选择两部分组成，这限制了非对称器件尺寸的小型化。该类声学材料具有厚度较大和使用不灵活的缺陷，进而导致使用该类材料所制作而成的非对称声学器件体积和质量较为厚重。另外现有技术中可以通过主动方式实现声波的非对称传输，该技术需要接收声信号后经过电子设备处理后再重新转化为声信号，需要外接电源及信号处理芯片，因此应用场景会受到局限。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种声学超表面，以解决上述问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种声学超表面，该声学超表面包括：

多个第一结构单元和多个第二结构单元，所述第一结构单元与所述第二结构单元在同一平面上间隔排列且相互连接成为整体；

所述第一结构单元和所述第二结构单元分别包括：上平板、下平板和侧壁，所述下平板的上表面均匀设置有多个矩形凸条，所述矩形凸条与所述侧壁垂直；所述矩形凸条的上表面与所述上平板的下表面之间留有一定间隙；

所述上平板上设置有第一缝隙，所述下平板上设置有第二缝隙；

所述第一结构单元的所述第一缝隙与所述第二缝隙之间间隔有一个所述矩形凸条；

所述第二结构单元的所述第一缝隙与所述第二缝隙之间间隔有三个所述矩形凸条。

结合第一方面本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中：

所述下平板上均匀设置有六个矩形凸条；

所述第一结构单元的第一缝隙位于从左侧起第三个矩形凸条与第四个矩形凸条之间，所述第一结构单元的第二缝隙位于下平板上的从左侧起的第二矩形凸条与第三矩形凸条之间。

结合第一方面，本发明实施例还提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中：

所述第二结构单元的第一缝隙位于上平板的从左侧起第五个矩形凸条与第六个矩形凸条之间，所述第二结构单元的第二缝隙位于下平板的从左侧起第二个矩形凸条和第三矩形凸条之间。

结合第一方面，本发明实施里提供了第一方面的的第三种可能的实施方式，其中：

所述第一结构单元与所述第二结构单元的尺寸相同。

结合第一方面，本发明实施里提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中：

所述第一结构单元的上平板厚度、下平板厚度、矩形凸条的尺寸、第一缝隙宽度、第二缝隙宽度分别与所述第二结构单元的上平板厚度、下平板厚度、矩形凸条的尺寸、第一缝隙宽度、第二缝隙的宽度对应相同。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中：

所述第一结构单元与所述第二结构单元的垂直于所述第一缝隙的截面长度为l，所述第一结构单元与所述第二结构单元的总厚度、上平板厚度、下平板厚度、第一缝隙的宽度与第二缝隙的宽度以及矩形凸条的尺寸均与所述长度l呈比例关系。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中：

所述第一结构单元的总厚度h和所述第二结构单元的总厚度h均为：h＝l/5，所述上平板的厚度h与所述下平板的厚度h为：h＝l/24。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中：

所述第一缝隙与所述第二缝隙的宽度w为：w＝l/30。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中：

所述矩形凸条的宽度a为：a＝l/15，所述矩形凸条的高度b为b＝l/10。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中：

所述两个矩形凸条之间间距p为：p＝l/6。

本发明实施例提供的一种声学超表面，声学超表面由第一结构单元和第二结构单元组成，该第一结构单元和第二结构单元由：上平板、下平板和侧壁，下平板的上表面均匀设置有多个矩形凸条，矩形凸条与侧壁垂直；所述矩形凸条的上表面与所述上平板的下表面之间留有一定间隙，且相邻的凸条之间也形成了空腔，声波穿过第一结构单元和第二结构单元产生干涉，实现了对声波基于频率和入射角度有选择性的高效非对称透射。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例一所提供的一种声学超表面的结构示意图；

图2示出了本发明实施例一所提供的一种声学超表面的第一结构单元的结构示意图；

图3示出了本发明实施例一所提供的一种声学超表面的第二结构单元的结构示意图；

图4示出了本发明实施例一所提供的第一非对称带正向声场能量分布示意图；

图5示出了本发明实施例一所提供的第一非对称带反向声场能量分布示意图；

图6示出了声波穿过本发明实施例一所提供的声学超表面时的透射率与频率和角度的关系示意图；

标记：10-第一缝隙；20-上平板；30-矩形凸条；40-下平板；50-第二缝隙；60-侧壁；70-第一结构单元；80-第二结构单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前的非对称器件仍是由声模式转化和声模式选择两部分结构组成，这限制了非对称器件尺寸的小型化。该类声学材料具有厚度较大和使用不灵活的缺陷，进而导致使用该类材料所制作而成的非对称声学器件体积和质量较为厚重。另外现有技术中可以通过主动方式实现声波的非对称传输，该技术需要接收声信号后经过电子设备处理后再重新转化为声信号，需要外接电源及信号处理芯片，因此应用场景会受到局限。

基于此，本发明实施例提供了一种声学超表面，通过结构上的设计，使声波在不同传播方向上分别干涉相长或相消，实现了声波的非对称传输。由于该超表面不包含声模式转化和声模式选择两部分结构，因此降低了所需的厚度和质量。该超表面的厚度仅为0.16个波长(相对于第一非对称带的中心波长)。本发明的一种声学超表面，在实现非对称传输的同时，具有极低的厚度，具有频率选择性和角度选择性，将促进它在实际中的应用，如在集成声学器件上的使用，如用于设计声学单向墙体。

下面通过具体实施例进行对本发明的详细介绍；

实施例一

参照图1所示，本实施例中提供了一种声学超表面，该声学超表面包括：多个第一结构单元70和多个第二结构单元80，其中，第一结构单元70与第二结构单元80在同一平面上间隔排列，并且在排列时使第一结构单元的第一缝隙、第二缝隙与第二结构单元的第一缝隙、第二缝隙的朝向相同，第一结构单元与第二结构单元相互连接成为整体；

此处上述第一结构单元70与第二结构单元80相互连接的方式可以是粘接；

参照图2、图3所示，第一结构单元和第二结构单元分别包括：上平板20、下平板40和侧壁60，上平板20和下平板40之间通过该侧壁60进行连接为一体，需要说明的是上平板20与下平板40之间只有在背部一侧设置有侧壁60，下平板40的上表面均匀设置有多个矩形凸条30，该矩形凸条30与上述侧壁60垂直；矩形凸条的上表面与上平板的下表面之间留有一定间隙，即矩形凸条的上表面与上平板的下表面之间具有一定距离，相邻的矩形凸条30之间形成空腔；

上平板20上设置有第一缝隙10，下平板40上设置有第二缝隙50；

第一结构单元的第一缝隙10与第二缝隙之50间间隔有一个矩形凸条30；

进一步的，下平板上均匀设置有六个矩形凸条；

第一结构单元的第一缝隙10位于从左侧起第三个矩形凸条与第四个矩形凸条之间，第一结构单元的第二缝隙位于下平板上的从左侧起的第二矩形凸条与第三矩形凸条之间。

上述第二结构单元的第一缝隙与所述第二缝隙之间间隔有三个矩形凸条；

进一步的，所述第二结构单元的第一缝隙位于上平板的从左侧起第五个矩形凸条与第六个矩形凸条之间，所述第二结构单元的第二缝隙位于下平板的从左侧起第二个矩形凸条和第三矩形凸条之间。

优选地，为便于拼接，上述第一结构单元与第二结构单元的尺寸相同，在某一具体实施例中，上述第一结构单元和第二结构单元可以设置均为正方形，该第一结构单元与第二结构单元在进行拼接时首尾对齐相连。

需要说明的是，上述仅作为举例进行描述，不应当看作是对本发明的限制，在实际应用中，上述的第一结构单元和第二结构单元也可以不设置成为正方形，所述的第一结构单元和第二结构单元(二维结构)在垂直方向上可以设置成为任意长度。

进一步的，第一结构单元与第二结构单元进行连接时，也可以是在不影响声波传输特性的前提下，通过在第一结构单元70和第二结构单元80设置连接机构进行实现相互连接，示例性地，第一结构单元和第二结构单元在分别平行于第一结构单元和第二结构单元(二维结构)的方向上可以通过面状薄片连接，该面状薄片可以是侧壁，除了可以通过粘接侧壁进行连接组装之外，也可通过在侧壁上设置卡槽等方式连接，当然也可以在第一结构单元和第二结构单元的前部和后部都分别设有侧壁，以便于结构的一体成型或分块安装、连接。第一结构单元和第二结构单元相连接时，要求相邻单元的上平板与上平板对齐，相邻单元的下平板与下平板对齐。

进一步的，第一结构单元的上平板厚度与第二结构单元的上平板厚度相同，第一结构单元的下平板厚度与第二结构单元的下平板厚度相同，第一结构单元的矩形凸条的尺寸与第二结构单元的矩形凸条尺寸相同，第一结构单元的第一缝隙宽度和第二结构单元的第一缝隙宽度相同，第一结构单元的第二缝隙宽度与第二结构单元的第二缝隙宽度相同。

进一步的，第一结构单元与第二结构单元的垂直于第一缝隙的截面长度均为l，第一结构单元与第二结构单元的总厚度、上平板厚度、下平板厚度、第一缝隙的宽度与第二缝隙的宽度以及矩形凸条的尺寸均与该长度l呈比例关系。

作为优选地，为便于控制入射波的特性更加稳定，第一结构单元与第二结构单元的垂直于第一缝隙的截面长度均为l，第一结构单元的总厚度h和第二结构单元的总厚度h均为：h＝l/5，所述上平板的厚度h与所述下平板的厚度h为：h＝l/24。

第一缝隙与第二缝隙的宽度w为：w＝l/30。

矩形凸条的宽度a为：a＝l/15，所述矩形凸条的高度b为b＝l/10。

两个矩形凸条之间间距p为：p＝l/6。此时入射波地波长为1.23l，优选的，设置使l＝6厘米，此时对应的工作频率为4508hz，此时处于人耳可听的波段，十分适用于制作各种声学器件。

需要说明的是，在本发明实施例中，上述第一结构单元与第二结构单元的制作材料需要满足：该制作材料的声阻抗大于背景介质的声阻抗的200倍；以背景媒质为空气为例，空气的密度和声速分别为1.2kg/m³和343m/s，此时第一结构单元和第二结构单元的组成材料可以是塑料、金属或者合金中的任意一种。

为进一步说明本发明实施例中所提供的声学超表面所具有的声学特性，本实施例中利用非对称系数描述该声学超表面对所具有的是声波非对称传输的特性；

其中，非对称系数为：定义声波从下往上入射为正向入射(pi)，从上往下入射为背向入射(ni)，其中tpi和tni分别为正向入射和背向入射的透射率，非对称系数rc的绝对值代表了透射不对称的程度(最大值为1)，非对称系数rc的正负代表了非对称透射的方向。

当第一结构单元与第二结构单元交替排列时，会出现3个非对称带，分别在4508hz，5024hz和5274hz附近，分别对应第一非对称带、第二非对称带和第三非对称带，在第一非对称带附近具有接近于1的高非对称系数，在第二非对称带和第三非对称带非对称系数的绝对值分别大于0.7和0.8；本实施例中，穿过第一结构单元和第二结构单元的声波相互耦合，在声波出射端发生干涉相长或相消，产生了多带非对称透射现象；在该声学超表面的具体使用时，可通过设置入射声波的频率，以获得声波的非对称性传输。

本实施例中，第一结构单元好第二结构单元内的声波相互耦合，在出射端干涉相长或相消，进而实现了声波多带非对称传输。

参照图4所示，该示意图中显示了第一非对称带在正向入射下声场的空间能量密度分布；参照图5所示，该示意图中显示了第一非对称带在背向入射下声场的空间能量密度分布；正向入射的透射声波清楚地展示了很强的能量密度分布，具体表现为干涉条纹，而在背向入射时只有很弱的能量透过,显示了本发明实施例所提供的声学超表面声波正向入射和背向入射之间的显著差别。

进一步的，参照图6所示，该声学超表面非对称透射特性除了有对频率的选择性以外，该声学超表面同样展示出了角度的选择性；声波的正向入射和反向入射在具有入射角度时的透射率也不相同，对于正向入射，只在4508hz附近有一个明显的透射带，第二和第三非对称带对角度敏感，基本在正负20度的范围之内。

随着声波入射角的增大，正向透射率快速变化到接近于0，而反向透射率从0变化到接近于1，非对称系数也随着从1变为-1，器件的方向性被反转，因此器件的方向性可以通过旋转结构来调控。

因此上述实施例所提供的声学超表面至少具有以下几个优点：

a、与一般介质相比，可以在更小的尺度内改变声波传播的特性，结构简单，厚度小；

b、相对于现有的声学器件，对制作材料要求低；

c、可以实现入射声波的非对称性传输，并且可以通过改变入射声波的频率、入射角度进行调整非对称透射的非对称系数。

本发明实施例中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。