一种能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元

本发明涉及一种能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元。

背景技术：

1、声场调控是声学材料方向的重要课题。实现声场调控的传统方法主要包括两种：一种是利用众多声学换能器阵列排布来构建声学阵列，通过电学端对其中每一个声学换能器进行操控来实现对反射声波或透射声波的调控，从而实现所需要的反射声场或透射声场；第二种是利用众多超表面结构单元阵列排布来构建声学超表面，通过对其中每一个超表面结构单元的几何结构、几何参数等进行操控来实现对反射声波或透射声波的调控，从而实现所需要的反射声场或透射声场，比如声波重定向发射、多点聚焦等。构建声学超表面的典型超表面结构单元有迷宫结构型、亥姆霍兹谐振型、薄膜结构型、压电材料型和五模式型。然而，这些超表面结构单元都只能对反射声波或透射声波进行单一调控，即只能构建反射型超表面用以调控反射声场或构建透射型超表面用以调控透射声场。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单的能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元。

2、本发明解决上述问题的技术方案是：一种能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，包括从上到下依次叠加的第一层迷宫结构、第二层迷宫结构、第三层迷宫结构、开口结构、第四层迷宫结构和第五层迷宫结构。

3、上述能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，所述第一层迷宫结构、第三层迷宫结构和第五层迷宫结构的结构相同，包括两块平行排列的第一左侧板状材料和第一右侧板状材料，所述第一左侧板状材料的右侧面中间设有一块第一左分隔板，所述第一右侧板状材料的左侧面上下两端设有两块第一右分隔板，第一左分隔板与第一右分隔板平行交错设置以形成迷宫形卷曲槽；所述第一左、右分隔板的宽度相等，所述第一左侧板状材料与第一右分隔板之间的间距和所述第一右侧板状材料与第一左分隔板之间的间距相等，且等于所述第一左、右分隔板中每两个相邻分隔板之间的间距。

4、上述能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，所述第二层迷宫结构包括两块平行排列的第二左侧板状材料和第二右侧板状材料，第二左侧板状材料的右侧面均匀设有四块第二左分隔板，第二右侧板状材料的左侧面均匀设有五块第二右分隔板，第二左分隔板与第二右分隔板平行交错设置以形成迷宫形卷曲槽；所述第二左、右分隔板的宽度相等，所述第二左侧板状材料与第二右分隔板之间的间距和所述第二右侧板状材料与第二左分隔板之间的间距相等，且等于所述第二左、右分隔板中每两个相邻分隔板之间的间距。

5、上述能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，所述开口结构包括两块平行排列的第三左侧板状材料和第三右侧板状材料，第三左侧板状材料和第三右侧板状材料之间形成开口。

6、上述能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，所述第四层迷宫结构包括两块平行排列的第四左侧板状材料和第四右侧板状材料，第四左侧板状材料的右侧面均匀设有两块第三左分隔板，第四右侧板状材料的左侧面均匀设有三块第三右分隔板，第三左分隔板与第三右分隔板平行交错设置以形成迷宫形卷曲槽；所述第三左、右分隔板的宽度相等，所述第四左侧板状材料与第三右分隔板之间的间距和所述第四右侧板状材料与第三左分隔板之间的间距相等，且等于所述第三左、右分隔板中每两个相邻分隔板之间的间距。

7、上述能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，所述第一层迷宫结构的迷宫形卷曲槽、第二层迷宫结构的迷宫形卷曲槽、第三层迷宫结构的迷宫形卷曲槽、开口结构的通槽、第四层迷宫结构的迷宫形卷曲槽和第五层迷宫结构的迷宫形卷曲槽依次连通，以形成超表面结构单元整体的声通道。

8、上述能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，所述第二左、右分隔板的宽度、开口的宽度、第三左、右分隔板的宽度均可调。

9、上述能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，所述开口结构的长度tp为λ/4，λ为入射声波的波长。

10、上述能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，超表面结构单元的整体截面为矩形，且宽度为0.1λ-0.3λ，λ为入射声波的波长。

11、上述能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，超表面结构单元设置在背景媒质中，超表面结构单元的声学阻抗超过背景媒质的声学阻抗的100倍。

12、本发明的有益效果在于：在本发明的超表面结构单元中，声波从超表面结构单元底部入射时，在第五、第四层迷宫结构和开口结构的接口处部分反射，其余声波通过开口结构和三、第二、第一层迷宫结构透射。反射声波和透射声波的能量比可以通过开口结构的开口宽度wp进行调节；反射声波的相位可以通过第四层迷宫结构中的第三左、右分隔板的宽度lir进行调节；透射声波的相位可以通过第四层迷宫结构中的第三左、右分隔板的宽度lir和第二层迷宫结构中的第二左、右分隔板的宽度lit共同调节，由此实现了对反射声波和透射声波的同时调控。

技术特征：

1.一种能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，其特征在于：包括从上到下依次叠加的第一层迷宫结构、第二层迷宫结构、第三层迷宫结构、开口结构、第四层迷宫结构和第五层迷宫结构。

2.根据权利要求1所述的能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，其特征在于：所述第一层迷宫结构、第三层迷宫结构和第五层迷宫结构的结构相同，包括两块平行排列的第一左侧板状材料和第一右侧板状材料，所述第一左侧板状材料的右侧面中间设有一块第一左分隔板，所述第一右侧板状材料的左侧面上下两端设有两块第一右分隔板，第一左分隔板与第一右分隔板平行交错设置以形成迷宫形卷曲槽；所述第一左、右分隔板的宽度相等，所述第一左侧板状材料与第一右分隔板之间的间距和所述第一右侧板状材料与第一左分隔板之间的间距相等，且等于所述第一左、右分隔板中每两个相邻分隔板之间的间距。

3.根据权利要求2所述的能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，其特征在于：所述第二层迷宫结构包括两块平行排列的第二左侧板状材料和第二右侧板状材料，第二左侧板状材料的右侧面均匀设有四块第二左分隔板，第二右侧板状材料的左侧面均匀设有五块第二右分隔板，第二左分隔板与第二右分隔板平行交错设置以形成迷宫形卷曲槽；所述第二左、右分隔板的宽度相等，所述第二左侧板状材料与第二右分隔板之间的间距和所述第二右侧板状材料与第二左分隔板之间的间距相等，且等于所述第二左、右分隔板中每两个相邻分隔板之间的间距。

4.根据权利要求3所述的能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，其特征在于：所述开口结构包括两块平行排列的第三左侧板状材料和第三右侧板状材料，第三左侧板状材料和第三右侧板状材料之间形成开口。

5.根据权利要求4所述的能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，其特征在于：所述第四层迷宫结构包括两块平行排列的第四左侧板状材料和第四右侧板状材料，第四左侧板状材料的右侧面均匀设有两块第三左分隔板，第四右侧板状材料的左侧面均匀设有三块第三右分隔板，第三左分隔板与第三右分隔板平行交错设置以形成迷宫形卷曲槽；所述第三左、右分隔板的宽度相等，所述第四左侧板状材料与第三右分隔板之间的间距和所述第四右侧板状材料与第三左分隔板之间的间距相等，且等于所述第三左、右分隔板中每两个相邻分隔板之间的间距。

6.根据权利要求5所述的能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，其特征在于：所述第一层迷宫结构的迷宫形卷曲槽、第二层迷宫结构的迷宫形卷曲槽、第三层迷宫结构的迷宫形卷曲槽、开口结构的通槽、第四层迷宫结构的迷宫形卷曲槽和第五层迷宫结构的迷宫形卷曲槽依次连通，以形成超表面结构单元整体的声通道。

7.根据权利要求5所述的能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，其特征在于：所述第二左、右分隔板的宽度、开口的宽度、第三左、右分隔板的宽度均可调。

8.根据权利要求1所述的能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，其特征在于：所述开口结构的长度tp为λ/4，λ为入射声波的波长。

9.根据权利要求1所述的能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，其特征在于：超表面结构单元的整体截面为矩形，且宽度为0.1λ-0.3λ，λ为入射声波的波长。

10.根据权利要求1所述的能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，其特征在于：超表面结构单元设置在背景媒质中，超表面结构单元的声学阻抗超过背景媒质的声学阻抗的100倍。

技术总结
本发明公开了一种能同时调控反射声波和透射声波的超表面结构单元，包括从上到下依次叠加的第一层迷宫结构、第二层迷宫结构、第三层迷宫结构、开口结构、第四层迷宫结构和第五层迷宫结构。声波从超表面结构单元底部入射时，在第五、第四层迷宫结构和开口结构的接口处部分反射，其余声波通过开口结构和第三、第二、第一层迷宫结构透射。反射声波和透射声波的能量比可以通过开口结构的开口宽度进行调节；反射声波的相位可以通过第四层迷宫结构中的第三左、右分隔板的宽度进行调节；透射声波的相位可以通过第四层迷宫结构中的第三左、右分隔板的宽度和第二层迷宫结构中的第二左、右分隔板的宽度共同调节，由此实现了对反射声波和透射声波的同时调控。

技术研发人员：鞠芳芳,邹孝,钱盛友
受保护的技术使用者：湖南师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13