一种气泡型水下宽频漫反射编码声学超表面及其使用方法
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1.本发明属于水下声学超材料技术领域，特别涉及一种气泡型水下宽带漫反射编码声学超表面及其使用方法。
背景技术：
2.超表面是一种亚波长厚度的新型人工结构。通过设计亚波长单元的结构及调整其在空间中的排列方式，声学超表面能够自由地定制声场，实现多种物理特点，如自弯曲波束、声漫反射、声涡旋波以及高效率的异常反射和透射现象。漫反射编码声学超表面主要通过不同的编码序列来调控波束的传播方向，且在维持亚波长厚度的同时可以将入射的声波散射到各个方向，形成一个无规律、杂乱的散射波场，每束散射波的能量都较弱，从而实现rcs缩减，声学rcs缩减旨在降低声源的远场可探测性，因此在声学隐身领域有着巨大的应用前景。宽带水声慢反射效应则有望实现水下装备声隐身性能，具备重要的应用前景。
3.传统超表面设计灵活度低，其特定的结构使得其适用频率范围较窄，窄带慢反射超表面无法实现宽带声隐身，且超表面rcs缩减性能受到限制。对应频率范围较宽的应用场合，需要多种超表面结构组合使用，使得成本提高。
技术实现要素：
4.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种适用于水下且频率范围较宽的漫反射编码声学超表面及其使用方法，以下所述超表面结构均放置在水环境中工作。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种气泡型水下宽带漫反射编码声学超表面，该声学超表面包括多个第一阵元和多个第二阵元，每个第一阵元的四个侧面分别连接第一阵元或第二阵元，第一阵元由n
×
n个第一超表面单元组成，第二阵元由n
×
n个第二超表面单元组成。
6.所述第一超表面单元，从下而上依次包括：钢板、实体柱和立方体框架，立方体框架的对角线垂直于钢板中心，并通过实体柱与钢板连接；所述第二超表面单元仅由钢板组成；第一超表面单元的钢板与第二超表面的钢板的长宽高尺寸相同。
7.所述第一超表面单元的实体柱和立方体框架均采用尼龙或其他疏水类材料制成。
8.所述第一超表面单元和第二超表面的钢板尺寸均为长、宽、高分别为10mm、10mm、35～50mm。
9.所述第一超表面单元中实体柱的长度h＝2～5mm,半径为r＝0.75～1mm。
10.所述立方体框架由12根实心柱组成，实心柱的长度h均为h＝2.5～3mm，实心柱的半径r为r＝0.7～0.8mm。
11.本发明还提供所述气泡型水下宽带漫反射编码声学超表面的制作方法，分别制作若干第一超表面单元和第二超表面单元，使用尼龙等疏水材料的立方体框架和实体柱结构采用3d打印方法制成，然后将实体柱粘到钢板的中心，制得第一超表面单元；第二超表面单元仅为钢板。
12.进一步地，将n
×
n个第一超表面单元相互连接排列为n行n列的矩阵，作为第一阵元；将n
×
n个第二超表面单元相互连接排列为n行n列的矩阵，作为第二阵元；将第一阵元和第二阵元相互连接排列成m
×
m的矩阵，即制得超表面；其中，m≥2，n≥2。
13.进一步地，在一定工作宽带频率范围内，通过调整第一超表面单元的立方体框架和实体柱尺寸，使得在水中出现气泡的第一超表面单元与第二超表面单元的声波反射相位差接近180度，且保持基本稳定。
14.本发明还提供所述气泡型水下宽带漫反射编码声学超表面的使用方法，设由第一超表面单元组成的第一阵元的编码为1，由第二超表面单元组成的第二阵元的编码为0，通过调整编码序列的空间排布，实现反射波控制、共振吸声和隐身。
15.本发明与现有技术相比，具有的优点和积极效果是：
16.(1)本发明的一种气泡型编码声学超表面结构，具有疏水性，将设计好的3d打印疏水框架浸入水中，空气被困在框架中形成气泡，简单易操作；
17.(2)在水环境中，带有气泡的第一超表面单元与第二超表面单元在较宽频带内其声波反射相位差接近180度，且保持基本稳定，通过构造不同的阵元编码排列可实现各种预期的功能，例如反射波控制、共振吸声、隐身等；
18.(3)通过阵元间非周期的排列方式，构造不同的编码序列，可实现多种宽频波动调控能力，该编码超表面使入射的声波发生漫反射，从而在较宽的频带内实现约10db的rcs缩减；
19.(4)通过3d打印方式制作所述超表面，制作精度高，成本低，这对水下声音探测、水中通信和隐身领域具有巨大的发展潜能和重要的研究价值，可在实际应用中进行广泛推广。
附图说明：
20.图1为本发明涉及的气泡型水下宽带漫反射编码声学超表面的结构原理示意图，图中第一阵元和第二阵元的大小均为2
×
2。
21.图2为本发明涉及的第一超表面单元和实体柱的结构原理示意图，其中，a整体结构图，b为实体柱结构，c为实心柱结构。
22.图3为本发明涉及的实施例第一超表面单元与第二超表面单元之间的相位差。
23.图4为本发明涉及的实施例2制得的编码超表面在10khz时漫反射效果图。
24.图5为本发明涉及的实施例2制得的编码超表面在15khz时漫反射效果图。
25.图6为本发明涉及的实施例2制得的编码超表面在20khz时漫反射效果图。
26.图7为本发明涉及的实施例2制得的编码超表面的rcs缩减图。
具体实施方式：
27.下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
28.实施例1：
29.本实施例涉及一种气泡型水下宽带漫反射编码超表面，其主体结构包括多个第一阵元和多个第二阵元，每个第一阵元的四个侧面分别连接第一阵元或第二阵元，第一阵元为由n行
×
n列个第一超表面单元组成，第二阵元由n行
×
n列个第二超表面单元组成。如图1
所示：当n＝2时，第一阵元由2行2列个第一超表面单元组成，第二阵元由2行2列个第二超表面单元组成。
30.所述第一超表面单元从下而上依次包括：钢板1、实体柱2、立方体框架3，立方体框架3的对角线垂直于钢板1中心，并通过实体柱2与钢板1中心连接；所述第二超表面单元仅由钢板1组成；第一超表面单元的钢板与第二超表面单元的钢板的长宽高尺寸相同。
31.所述第一超表面单元和第二超表面的钢板1的尺寸均为：长、宽、高分别为10mm、10mm、35～50mm。
32.所述第一超表面单元中实体柱2的长度h＝2～5mm,半径为r＝0.75～1mm；立方体框架3由12根实心柱组成，实心柱的长度h均为h＝2.5～3mm，实心柱的半径r为r＝0.7～0.8mm。
33.所述实体柱2和立方体框架3均采用尼龙材料制成，杨氏模量为1.6gpa,泊松比为0.4，密度为1050kg/m3。
34.本实施例所述的气泡型水下宽频漫反射编码声学超表面的制备方法为：分别制作若干第一超表面单元和第二超表面单元，实体柱2和立方体框架3均用尼龙材料通过3d打印方法制成；将n
×
n个第一超表面单元相互连接排列为n行n列的矩阵，作为第一阵元；将n
×
n个第二超表面单元相互连接排列为n行n列的矩阵，作为第二阵元；将第一阵元和第二阵元相互连接排列成m
×
m的矩阵，即制得超表面；其中，m≥3，n≥3。
35.进一步地，第一超表面单元中的立方体框架3具有疏水特性，在水环境中，立方体框架3会捕获空气形成气泡，通过调整第一超表面单元的立方体框架和实体柱尺寸，可以使在水中出现气泡的第一超表面单元与第二超表面单元在宽频带内声波反射相位差接近180度，且保持基本稳定。
36.本实施例所述气泡型水下宽带漫反射编码声学超表面的使用方法为，设由第一超表面单元组成的第一阵元的编码为1，由第二超表面单元组成的第二阵元的编码为0，通过调整编码序列的空间排布，即可实现预期的各种功能，包括实现特定方向的散射波控制以减小雷达散射截面等。
37.实施例2：
38.本实施例涉及一种气泡型水下宽带漫反射编码声学超表面，
39.包括多个第一阵元和多个第二阵元，每个第一阵元的四个侧面分别连接第一阵元或第二阵元，第一阵元为由n行
×
n列个第一超表面单元组成，第二阵元由n行
×
n列个第二超表面单元组成。。
40.所述第一超表面单元中实体柱2的长度h为h＝3mm,半径r为r＝0.75mm；立方体框架3由12根实心柱组成，实心柱的长度h均为h＝3mm，实心柱的半径r为r＝0.75mm；第一超表面单元和第二超表面单元的钢板的长宽高分别为10mm、10mm、高3.5mm；经检测，如图3所示，上述尺寸的第一超表面单元与第二超表面单元在7-26khz的宽频带内声波反射相位差接近180度，且保持基本稳定。设由第一超表面单元组成的第一阵元编码为1，由第二超表面单元组成的第二阵元编码为0。第一超表面单元和第二超表面单元以阵元的形式随机排列，即当平面波垂直入射时，第一超表面单元和第二超表面单元之间相消干涉，反射波能量会被分散到各个方向，形成漫反射现象。
41.本实施例所述编码超表面为由第一阵元和第二阵元相互连接排列成的8
×
8的矩
形阵列，第一阵元由10行10列的第一超表面单元相互连接组成，第二阵元由10行10列的第二超表面单元相互连接组成。假设每个第一阵元或第二阵元的反射或散射相位为则其相位为0
°
或180
°
。平面波垂直入射下，该编码超表面的远场散射表示为：
[0042][0043]
其中θ和为入射角和方位角，k为波数，d为每个阵元的长度，为单个阵元的辐射特性。
[0044]
方向图函数表示为：
[0045][0046]
因为第一超表面单元和第二超表面单元的相位分别为0
°
和180
°
，两个单元的散射特性相消，的辐射特性基本为零。从以上两式看出，控制声学编码超表面远场散射特性主要通过编码阵元的不同序列方式实现。
[0047]
本实施例优化后的编码超表面具体排列方式为：第一、五、七和八行按照“11010001”排列，第二、三、四和六行按照“00101110”排列。最终，本实施例整个超表面结构尺寸为800mm
×
800mm。实际制作过程中，可根据整个超表面的大小来制作整个钢板，然后按照编码排列将立方体框架及实体柱粘在钢板的相应位置上。
[0048]
对本实施例制得的超表面采用多物理场仿真软件comsol multiphsics测试其在不同入射声波频率下的漫反射效果，结果如图4-6所示，其中图4的入射声波频率为10khz，图5的入射波频率为15khz,图6的入射波频率为20khz。从图中可以看出，散射波束的能量不再集中于一束很强的能量波束，而是分散在各个方向，由能量守恒守恒原理可知每个方向的散射波分布的能量很小，该仿真结果进一步表明编码超表面可以起到减小rcs的作用。
[0049]
采用多物理场仿真软件comsol multiphsics对本实施例制得的超表面进行rcs缩减效果仿真，结果如图7所示。从图7可以看出，本实施例与同尺寸的单独钢板相比，在11-17khz频段满足10db的rcs缩减要求。
技术特征：
1.一种气泡型水下宽带漫反射编码声学超表面，其特征在于，该声学超表面包括多个第一阵元和多个第二阵元，每个第一阵元的四个侧面分别连接第一阵元或第二阵元，第一阵元由n
×
n个第一超表面单元组成，第二阵元由n
×
n个第二超表面单元组成；n≥2；所述第一超表面单元，从下而上依次包括：钢板、实体柱和立方体框架，立方体框架的对角线垂直于钢板中心，并通过实体柱与钢板连接；所述第二超表面单元仅由钢板组成。2.根据权利要求1所述的气泡型水下宽带漫反射编码声学超表面，其特征在于，所述第一超表面单元的实体柱和立方体框架均采用疏水类材料制成。3.根据权利要求1所述的气泡型水下宽带漫反射编码声学超表面，其特征在于，第一超表面单元的钢板与第二超表面的钢板的长宽高尺寸相同，钢板的长、宽、高分别为10mm、10mm、35～50mm。4.根据权利要求1所述的气泡型水下宽带漫反射编码声学超表面，其特征在于，所述第一超表面单元中实体柱的长度h＝2～5mm,半径为r＝0.75～1mm。5.根据权利要求1所述的气泡型水下宽带漫反射编码声学超表面，其特征在于，所述立方体框架由12根实心柱组成，实心柱的长度h均为h＝2.5～3mm，实心柱的半径r为r＝0.7～0.8mm。6.如权利要求1所述气泡型水下宽带漫反射编码声学超表面的制作方法，其特征在于，分别制作若干第一超表面单元和第二超表面单元，使用疏水材料采用3d打印方法制成立方体框架和实体柱结构。7.根据权利要求6所述的气泡型水下宽带漫反射编码声学超表面的制作方法，其特征在于，将n
×
n个第一超表面单元相互连接排列为n行n列的矩阵，作为第一阵元；将n
×
n个第二超表面单元相互连接排列为n行n列的矩阵，作为第二阵元；将第一阵元和第二阵元相互连接排列成m
×
m的矩阵，即制得超表面；其中，m≥2，n≥2。8.根据权利要求6所述的气泡型水下宽带漫反射编码声学超表面的制作方法，其特征在于，在一定工作宽带频率范围内，通过调整第一超表面单元的立方体框架和实体柱尺寸，使得在水中出现气泡的第一超表面单元与第二超表面单元的声波反射相位差接近180度，且保持基本稳定。9.如权利要求1所述所述气泡型水下宽带漫反射编码声学超表面的使用方法，其特征在于，设由第一超表面单元组成的第一阵元的编码为1，由第二超表面单元组成的第二阵元的编码为0，通过调整编码序列的空间排布，实现反射波控制、共振吸声和隐身。
技术总结
本发明属于水下声学超材料技术领域，涉及一种气泡型水下宽带漫反射编码声学超表面及其使用方法，该声学超表面包括多个第一阵元和多个第二阵元，每个第一阵元的四个侧面分别连接第一阵元或第二阵元，第一阵元由
