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声学超表面在降低水下平板散射强度中的应用

华中科技大学学报（自然科学版） 2019年第8期47卷 76-80页

作者：喻敏周家行张咏鸥张晓亮武汉理工大学交通学院湖北武汉430063 中国船舶工业系统工程研究院北京100036

采用间接边界元法对声学超表面平板在水下的散射声场进行仿真计算,分析了超表面平板与刚性平板的散射形态函数及指向性,讨论了结构几何参数对声学超表面平板散射特性的影响.仿真结果表明:以1/20波长为共振腔深度设计的频率附近带宽内,... 详细信息

采用间接边界元法对声学超表面平板在水下的散射声场进行仿真计算,分析了超表面平板与刚性平板的散射形态函数及指向性,讨论了结构几何参数对声学超表面平板散射特性的影响.仿真结果表明:以1/20波长为共振腔深度设计的频率附近带宽内,超表面平板的水下反向散射较刚性平板更分散,法线方向上反向散射主瓣的形态函数值较刚性平板降低;随着共振腔单元几何参数无量纲深度H/D和开口尺寸w/D的减小,声学超表面平板的最佳散射无量纲频率也随之降低.

关键词：声学超表面水下声散射形态函数反向散射指向性

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声学超表面及其声波调控特性研究

中国材料进展 2021年第1期40卷 48-56,21页

作者：楚杨阳王兆宏蔡成欣郑州轻工业大学软件学院河南郑州450001 西安交通大学电子科学与工程学院电子物理与器件教育部重点实验室陕西西安710049 河南工业大学信息科学与工程学院粮食信息处理与控制教育部重点实验室河南郑州450001

声学超材料作为近年来研究的一个新兴领域,极大地拓宽了声学材料在各个领域的应用,声学超表面作为声学超材料的一个分支,近几年也受到了国内外研究者的广泛关注。声学超表面是一种由超材料结构单元阵列构成的基于亚波长尺寸的新型声学... 详细信息

声学超材料作为近年来研究的一个新兴领域,极大地拓宽了声学材料在各个领域的应用,声学超表面作为声学超材料的一个分支,近几年也受到了国内外研究者的广泛关注。声学超表面是一种由超材料结构单元阵列构成的基于亚波长尺寸的新型声学超材料,能够利用广义Snell定理实现对反射声波或透射声波的定向调控,具有利用亚波长厚度调控声波的独特优势。由于其具有结构简单、物理特性丰富独特、对声波灵活有效调控等特点,成为了超材料研究中的热点课题。从超表面的概念出发,以折叠空间型超表面、五模式超表面、非结构化超表面为基础,详细介绍了几种常见结构单元的设计方法,及其对声波调控的物理机制,实现诸如负折射、声聚焦及声非对称传输等功能。此外,简略探讨了声学超表面有待解决的问题,以期为后续研究提供参考。

关键词：声学超表面折叠空间型超表面五模式超表面非结构化超表面声波调控

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声学超表面研究及应用进展

功能材料 2017年第11期48卷 11054-11059页

作者：许卫锴张蒙王伟沈阳航空航天大学航空航天工程学部沈阳110136 沈阳建筑大学土木工程学院沈阳110168

声学超表面是基于广义斯涅尔定律,通过控制波前相位从而进行声波调控的新型人工结构,是声学超材料的重要分支,其新颖的调控机制和灵活的结构设计已经展现出广阔的应用前景。阐述了声学超表面的设计原理与相关研究进展,并对声学超表面有... 详细信息

声学超表面是基于广义斯涅尔定律,通过控制波前相位从而进行声波调控的新型人工结构,是声学超材料的重要分支,其新颖的调控机制和灵活的结构设计已经展现出广阔的应用前景。阐述了声学超表面的设计原理与相关研究进展,并对声学超表面有待解决的问题和发展趋势进行了探讨,对于波控结构的设计与制备实现具有指导意义。

关键词：声学超表面声波调控广义斯涅尔定律人工微结构超材料

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声学超表面的非对称声分束特性研究

人工晶体学报 2021年第7期50卷 1362-1370页

作者：宋爱玲孙超彧陈天宁项延训轩福贞华东理工大学机械与动力工程学院上海200237 西安交通大学机械工程学院西安710049

非对称声分束超表面是由人工微单元结构按照特定序列构建的二维平面结构,可将垂直入射的声波分成两束传播方向和分束比自由调控的透射波,在声功能器件设计及声通信领域具有广泛的应用前景。本文系统研究了一种实现非对称声分束的设计理... 详细信息

非对称声分束超表面是由人工微单元结构按照特定序列构建的二维平面结构,可将垂直入射的声波分成两束传播方向和分束比自由调控的透射波,在声功能器件设计及声通信领域具有广泛的应用前景。本文系统研究了一种实现非对称声分束的设计理论和实现方法,基于局域声功率守恒条件研究了声分束器的设计理论、阻抗矩阵分布、法向声强分布、声压场分布等。利用遗传算法对四串联共振腔结构进行参数优化实现了声分束器所需的阻抗矩阵分布,声压场分布表明声波入射到声分束器后在入射侧激发出两列传播方向相反且幅值和衰减系数均相同的表面波,实现了入射侧与透射侧的局域声功率相互匹配。声波经过声分束器后被分为两束透射波,两束透射波的折射角和透射系数与理论值十分吻合,证明了设计理论及实现方法的正确性和可行性。本文的研究工作可以为新型非对称声分束结构设计提供理论参考、设计方法和技术支持,并促进其在工程领域的实际应用。

关键词：非对称声分束声学超表面局域声功率阻抗矩阵共振腔

基于亥姆霍兹共振的超薄弧形声学超表面地毯斗篷

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物理学报 2024年第6期73卷 222-228页

作者：隋玉梅何兆剑毕仁贵孔鹏吴吉恩赵鹤平邓科湖南科技大学物理与电子科学学院智能传感器与新型传感材料湖南省重点实验室湘潭411201 吉首大学物理系吉首416000 湖南财政经济学院长沙410205

利用局部相位补偿调制的方式设计了一种超薄的弧形声学超表面地毯隐身斗篷.该斗篷由52个亥姆霍兹空腔共振结构单元组成,且结构单元厚度小于波长的0.2倍.数值模拟结果显示:文中所设计的隐身斗篷在深亚波长范围内隐身效果良好,其工作频宽... 详细信息

利用局部相位补偿调制的方式设计了一种超薄的弧形声学超表面地毯隐身斗篷.该斗篷由52个亥姆霍兹空腔共振结构单元组成,且结构单元厚度小于波长的0.2倍.数值模拟结果显示:文中所设计的隐身斗篷在深亚波长范围内隐身效果良好,其工作频宽为5850—7550 Hz.进一步探究声波斜入射时地毯斗篷的工作效果,发现在30°的入射角范围内都具有良好的隐身效果.此外,利用余弦相似度(cosine similarity,CSI)函数精确量化分析了该隐身斗篷的工作性能,计算结果展示,在斗篷工作的带宽范围内,覆盖斗篷后的CSI值趋近于无斗篷覆盖地面的CSI值,展示了其在的良好隐身性.本文所设计的斗篷均以超薄的亥姆霍兹共振结构为组成单元,结构简单,易于实现,有利于未来的实际应用.

关键词：声学超表面广义Snell定律超薄结构地毯斗篷

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迷宫型声学超表面可调参数及其全相位调节

西安交通大学学报 2018年第5期52卷 29-37页

作者：侯明明吴九汇西安交通大学机械工程学院西安710049 西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室西安710049

针对以往声学超表面研究的不足,提出一种亚波长迷宫型声学超表面结构;以迷宫型声学超表面物理特性的有效调控为目的,深入研究了各参数与声学超表面的关系,重点分析了声学超表面对反射相位的调节作用,实现了对声学超表面反射相位的人工... 详细信息

针对以往声学超表面研究的不足,提出一种亚波长迷宫型声学超表面结构;以迷宫型声学超表面物理特性的有效调控为目的,深入研究了各参数与声学超表面的关系,重点分析了声学超表面对反射相位的调节作用,实现了对声学超表面反射相位的人工调控。为了揭示声学超表面与各参数之间的内在联系,逐一分析了每个可调参数对声学超表面的吸声系数和反射相位的影响,结果表明:声学超表面盖板上小孔的直径、迷宫超表面原胞边长和迷宫槽宽对吸声系数和反射相位有决定性的影响,相对而言,迷宫棱宽和迷宫盖板的厚度对吸声系数和反射相位影响较小;盖板上的小孔直径越小,相应的共振频率就越低,吸声系数曲线向低频移动,而峰值保持不变,反射相位曲线也向低频移动,但相位轮廓保持不变;原胞边长越小,相应的共振频率就越高,吸声系数曲线向高频移动,且峰值增大,反射相位曲线也向高频移动,相位幅值基本不变但是跨度增大;迷宫槽宽越小,相应的共振频率就越低,吸声系数曲线向低频移动,且峰值变大,反射相位曲线也向低频移动,相位幅值不变但是跨度减小。设计了一种具有10个超表面原胞的迷宫组合结构(10个原胞除孔径外其他参数均相同),实现了从0到2π跨度上的相位调节,而且结构小巧紧凑,操作简单易行。这种结构可以进一步拓展成由多个超表面原胞构造的超薄二维阵列平面,从而实现声隐身。

关键词：声学超表面吸声系数反射相位全相位调节迷宫

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水下声学超表面异常折射方向调控研究

哈尔滨工程大学学报 2024年第1期45卷 93-102页

作者：胡博刘凯赵思缘李松哈尔滨工程大学水声技术全国重点实验室黑龙江哈尔滨150001 海洋信息获取与安全工业和信息化部重点实验室(哈尔滨工程大学) 黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工程大学水声工程学院黑龙江哈尔滨150001 中国船舶科学研究中心江苏无锡214082

针对波束调控的问题,本文提出了一种控制波前相位的声学超表面。本文依据广义斯奈尔定律,利用不同声速的均匀介质构建了水中多频声学超表面模型,给出声学超表面产生异常声折射的基本原理,验证了声学超表面在多个频点下可以实现异常声折... 详细信息

针对波束调控的问题,本文提出了一种控制波前相位的声学超表面。本文依据广义斯奈尔定律,利用不同声速的均匀介质构建了水中多频声学超表面模型,给出声学超表面产生异常声折射的基本原理,验证了声学超表面在多个频点下可以实现异常声折射现象,揭示了频率以及声波入射角对声学超表面异常折射现象的影响规律,制备了声学超表面实物在水箱中对理论结果进行验证。结果表明:在入射波频率为基频的整数倍时,超表面模型可以实现折射角相同的异常折射现象,并且入射角在一定范围内可以实现负折射现象。实验测量了水中钢板和超表面的折射情况,相较于均匀介质,在不同入射角度下设计的超表面均可以实现异常折射,并且测量值与理论值吻合较好。

关键词：水下声学超表面异常折射负折射梯度相位广义斯奈尔定律多角度消声水箱

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五模声学超表面分段设计及其波控性能分析

华中科技大学学报（自然科学版） 2022年第5期50卷 19-25页

作者：王真尹雪琴赵志高沈敏武汉纺织大学机械工程与自动化学院湖北武汉430200 武汉纺织大学湖北省数字化纺织装备重点实验室湖北武汉430200 武汉第二船舶设计研究所湖北武汉430205

为拓宽五模微结构可实现的等效物性参数范围,提出采用两种基材对超表面分段设计的方法.在五模超表面理论推导的基础上,以Norris提出的微结构为基本构型,采用均匀化理论计算微结构的等效模量矩阵,对微结构几何参数进行优化设计,获得了具... 详细信息

为拓宽五模微结构可实现的等效物性参数范围,提出采用两种基材对超表面分段设计的方法.在五模超表面理论推导的基础上,以Norris提出的微结构为基本构型,采用均匀化理论计算微结构的等效模量矩阵,对微结构几何参数进行优化设计,获得了具有铝和钛合金两段基材的反射式声学超表面.结合能带分析和定向反射仿真实验,分析了微结构声学特性及其对超表面波控性能的影响,仿真结果表明:具有两种基材的超表面能够实现较宽的模量和密度分布,从而保证所需声速梯度,仿真结果验证了方法的可行性和有效性.本方法为五模超材料设计提供了一种新途径,对于大空间或大角度的声波调控具有重要的工程应用价值.

关键词：声学超表面五模超构材料微结构能带分析均匀化

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单向纤维复合材料声学超表面

复合材料学报 2022年第7期39卷 3339-3346页

作者：王真赵志高尹雪琴武汉纺织大学机械工程与自动化学院武汉430200 武汉第二船舶设计研究所武汉430205

声学超表面是一种能够调节声波反射、透射和吸收特性的超薄人工结构,对于空间受限的应用领域具有重要价值,目前声学超表面主要借助超构材料来实现。提出一种非超构材料的新型声学超表面,采用单向纤维周期复合材料对声波进行调制,实现了... 详细信息

声学超表面是一种能够调节声波反射、透射和吸收特性的超薄人工结构,对于空间受限的应用领域具有重要价值,目前声学超表面主要借助超构材料来实现。提出一种非超构材料的新型声学超表面,采用单向纤维周期复合材料对声波进行调制,实现了声波的定向反射调控。借助复合材料细观力学方法,采用均匀化理论和优化方法设计周期复合材料单胞的组分,使单胞具有特定的等效力学性能与声学性能,并满足特性阻抗匹配,从而形成超表面所需的声速梯度分布。通过能带分析获得了单胞纵波波速与频率的关系,显示出复合材料超表面的宽频特性。定向反射仿真展示了复合材料超表面操控声波的有效性,并验证了对于垂直入射声波纵波是影响波控性能的主要因素。研究工作为声学超表面及其他声学波控装置的设计提供了一种新途径。

关键词：声学超表面周期复合材料单胞能带结构均匀化方法单向纤维复合材料