一种利用声学超材料实现超声隐身的装置的制作方法

本实用新型属于声学领域，具体涉及一种利用声学超材料实现超声隐身的装置。

背景技术：

随着声学超材料与变换声学理论的发展，设计以控制声传播路径为手段的新型声学隐身器件成为国内外研究的一个热点。在二维空气声隐身中，传统的方法主要是基于变换声学理论设计声学隐身器件，通过对声波方程进行坐标变换，在传播方程形式不变性的基础上，重新定义隐身结构的有效参数(有效密度和有效弹性模量)，使得放置在该结构下的物体能够躲避声波。但是，基于变换声学理论所设计的声学隐身器件往往要求极端的声学参数，器件体积庞大、设计精密、结构复杂，其隐身效果需要依靠器件中结构单元的大小、厚度、层数、层间距等多个结构参数同时控制，这严重限制了其在现实中的应用。传统的方案需要有针对性地对某种特定尺寸和材质的被隐身物体设计相应的隐身结构，因此，设计一种可以对任意尺寸和材质物体都有效的隐身结构，具有重要的意义。

技术实现要素：

本实用新型是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够通过操控声波的相位延迟，使得由被隐身物体产生的反射声场沿着原入射路径相反的方向反射，可以灵活地实现对不同尺寸、不同材质物体的隐身效果的利用声学超材料实现超声隐身的装置。

本实用新型提供了一种利用声学超材料实现超声隐身的装置，具有这样的特征，包括：底部基座以及连接于底部基座上方的周期性排列的多个腔状单元，其中，每个腔状单元具有相邻设置的一层柱状金属体以及一层供介质流通的柱状空腔。

在本实用新型提供的利用声学超材料实现超声隐身的装置中，还可以具有这样的特征：其中，柱状金属体与柱状空腔的宽度比在1:3到3:1之间。

在本实用新型提供的利用声学超材料实现超声隐身的装置中，还可以具有这样的特征：其中，柱状金属体的高度为0.24λ-0.26λ，λ为入射声波的波长。

在本实用新型提供的利用声学超材料实现超声隐身的装置中，还可以具有这样的特征：其中，底部基座的厚度大于0.25λ，λ为入射声波的波长。

在本实用新型提供的利用声学超材料实现超声隐身的装置中，还可以具有这样的特征：其中，底部基座以及腔状单元均采用声学超材料，且该声学超材料的声阻抗大于水声阻抗的20倍。

在本实用新型提供的利用声学超材料实现超声隐身的装置中，还可以具有这样的特征：其中，底部基座在z轴方向的长度以及腔状单元的数量根据被隐身体的形状和大小灵活调整。

实用新型的作用与效果

根据本实用新型所涉及的利用声学超材料实现超声隐身的装置，将被隐身物体放置于利用声学超材料实现超声隐身的装置下方，当一个特定方向的原始声场入射时，所设计的亚波长结构能够产生相位延迟，使得反射声场可以沿原入射声波相反的方向反射，达到隐身效果；此外，本实用新型仅靠自身的结构特性就可以实现上述功能，且本实用新型的装置对被隐身物体的材质及形状没有严格限制，任何尺度小于本实用新型装置的包围区域的被隐身物体都能被隐藏起来，这在应用中具有很好的优势。

因此，本实用新型的装置能够利用其对反射声波相位的自由控制能力，在超声频率范围内对不同尺寸、不同材质的物体高效地实现水下声学隐身。该装置结构简单、操作空间大，仅依靠单一结构参数(腔状单元晶格常数)控制即可实现隐身效果，具有单一可控性、简单性、紧凑型等优点，能够实现对任意尺寸、任意材质的物体的隐身，同时其平面状、小体积的特点在实际的应用中具有非常重要的价值，为多功能紧凑型声学元件的设计提供了新思路。

附图说明

图1是本实用新型的实施例中利用声学超材料实现超声隐身的装置的结构示意图；

图2是本实用新型的实施例中利用声学超材料实现超声隐身的装置的原理示意图；

图3是本实用新型的实施例中利用声学超材料实现超声隐身的装置的平面结构示意图；

图4是本实用新型的实施例中利用声学超材料实现超声隐身的装置的底部刚性声场边界的反射压力场仿真分布图；

图5是本实用新型的实施例中利用声学超材料实现超声隐身的装置的仅有被隐身物体的反射压力场仿真分布图；

图6是本实用新型的实施例中利用声学超材料实现超声隐身的装置覆盖被隐身物体的反射压力场仿真分布图；

图7是本实用新型的实施例中利用声学超材料实现超声隐身的装置在实验中底部刚性声场边界的反射场分布图；

图8是本实用新型的实施例中利用声学超材料实现超声隐身的装置在实验中覆盖被隐身物体的反射场分布图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本实用新型作具体阐述。

实施例：

图1是本实用新型的实施例中利用声学超材料实现超声隐身的装置的结构示意图。

如图1所示，本实施例的一种利用声学超材料实现超声隐身的装置100，包括：底部基座1以及连接于底部基座1上方的周期性排列的多个腔状单元2。

每个腔状单元2的宽度即晶格常数为a，具有相邻设置的一层柱状金属体201以及一层供介质流通的柱状空腔202。

柱状金属体201的宽度为d1，沿y轴高度为l0，柱状空腔202的宽度为d0，d1与d0之比在1:3到3:1之间。

柱状金属体201的高度为0.24λ-0.26λ，λ为入射声波的波长。

底部基座1的厚度为l1大于0.25λ，λ为入射声波的波长。

底部基座1以及腔状单元2均采用声学超材料，且该声学超材料的声阻抗大于水声阻抗的20倍。

底部基座1在z轴方向的长度以及腔状单元2的数量根据被隐身体的形状和大小灵活调整，从而实现对不同尺寸物体的隐身效果。

图2是本实用新型的实施例中利用声学超材料实现超声隐身的装置的原理示意图。

如图2所示，当垂直向下的原始声场入射到利用声学超材料实现超声隐身的装置100时，声波被附加一个所需要的相位延迟，使得反射声场可以沿原入射路径相反的方向反射，从而达到隐身效果。图中实线箭头指示入射声波的传播方向，虚线箭头指示反射声波的传播方向。

图3是本实用新型的实施例中利用声学超材料实现超声隐身的装置的平面结构示意图。

如图3所示，本实施例中，底部基座的厚度l1＝λ，柱状金属体2的高度l0＝0.25λ，柱状金属体201与柱状空腔202的宽度比例d1：d0为1:1，λ是入射声波的波长。

图4是本实用新型的实施例中利用声学超材料实现超声隐身的装置的底部刚性声场边界的反射压力场仿真分布图，图5是本实用新型的实施例中利用声学超材料实现超声隐身的装置的仅有被隐身物体的反射压力场仿真分布图，图6是本实用新型的实施例中利用声学超材料实现超声隐身的装置覆盖被隐身物体的反射压力场仿真分布图。

如图4-图6所示，对本实用新型进行仿真，背景介质设定为水，其密度和声速分别为1000kg/m3和1500m/s，入射声波的频率为300khz，其波长λ＝5mm。结构的材料为不锈钢，密度为7850kg/m3，声速为5740m/s，其他声学阻抗大于水声阻抗的20倍的材料同样能够用来制作所本实施例的利用声学超材料实现超声隐身的装置100的结构。

图4表示当区域中不存在被隐身物体时，仅由底部刚性边界引起的反射声压场，此时垂直入射的平面波将沿原路垂直反射回去；图5表示区域中存在的圆形刚性被隐身物体将对反射声场造成明显干扰；图6表示若将设计的超声隐身结构覆盖于被隐身物体上方，则该被隐身物体几乎无法对声场产生影响，此时，反射声场与原底部刚性边界的反射声场基本一致，本实用新型达到了显著的隐身效果。

图7是本实用新型的实施例中利用声学超材料实现超声隐身的装置在实验中底部刚性声场边界的反射场分布图，图8是本实用新型的实施例中利用声学超材料实现超声隐身的装置在实验中覆盖被隐身物体的反射场分布图。

如图7和图8所示，我们开展了具体的实验来验证利用声学超材料实现超声隐身的装置100的隐身效果，实验条件与仿真条件一致，装置100的材料同样采用不锈钢。

图7为实验中底部刚性声场边界的反射场分布图，图8为实验中本实用新型覆盖被隐身物体的反射场分布图，二者在空间中处于相同区域。我们可以清楚地看出，底部刚性边界的反射场与本实用新型覆盖被隐身物体的反射场具有良好的一致性，即完美地实现了对目标被隐身物体的隐藏。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的利用声学超材料实现超声隐身的装置，将被隐身物体放置于利用声学超材料实现超声隐身的装置下方，当一个特定方向的原始声场入射时，所设计的亚波长结构能够产生相位延迟，使得反射声场可以沿原入射声波相反的方向反射，达到隐身效果；此外，本实施例仅靠自身的结构特性就可以实现上述功能，且本实施例的装置对被隐身物体的材料及形状没有严格限制，任何尺度小于本实施例装置的包围区域的被隐身物体都能被隐藏起来，这在应用中具有很好的优势。

因此，本实施例的装置能够利用其对反射声波相位的自由控制能力，在超声频率范围内对不同尺寸、不同材质的物体高效地实现水下声学隐身。该装置结构简单、操作空间大，仅依靠单一结构参数(腔状单元晶格常数)控制即可实现隐身效果，具有单一可控性、简单性、紧凑型等优点，能够实现对任意尺寸、任意材质的物体的隐身效果，同时其平面状、小体积的特点在实际的应用中具有非常重要的价值，为多功能紧凑型声学元件的设计提供了新思路。

上述实施方式为本实用新型的优选案例，并不用来限制本实用新型的保护范围。

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