背景技術(shù)

0、
背景技術(shù)：

1、動(dòng)態(tài)可調(diào)的定向聲輻射是聲學(xué)領(lǐng)域一個(gè)重要應(yīng)用，并隨著科技的進(jìn)步，已經(jīng)變得與我們生活密不可分，例如在水下聲納探測(cè)、定向聲能武器、定向通訊、定向聲波驅(qū)散等方面均具有重要意義。然而，聲波作為機(jī)械波，其散射和衍射特性給聲波特別是低頻聲波的定向輻射帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。目前所采用的利用多組換能器組成的線陣列達(dá)到強(qiáng)指向性的方式，其輻射器整體的尺寸和波長(zhǎng)具有相同的數(shù)量級(jí)，很難做到器件的微型化。近些年，學(xué)者們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)任意的聲波調(diào)控，不斷地探索新的聲人工結(jié)構(gòu)，聲學(xué)超構(gòu)材料的概念由此被提出。聲學(xué)超構(gòu)材料大多都擁有亞波長(zhǎng)或者深度亞波長(zhǎng)尺寸，以其非凡的波陣面調(diào)控能力徹底改變了傳統(tǒng)操縱聲波吸收、反射和透射方式。聲學(xué)超構(gòu)材料構(gòu)建的核心在于調(diào)控材料的聲學(xué)參數(shù)，即質(zhì)量密度和體積模量。超構(gòu)材料的出現(xiàn)為低頻聲波的定向輻射提供了一條有效途徑。目前，多種類型的超構(gòu)材料已成功地實(shí)現(xiàn)了定向聲輻射，比如聲漏波天線、聲子晶體、亥姆赫茲諧振器和mie諧振器等等。目前利用超構(gòu)材料構(gòu)建的聲定向輻射器件已經(jīng)在尺寸和靜態(tài)工作特性上充分表現(xiàn)出其優(yōu)異的調(diào)控能力。若要滿足未來(lái)人們對(duì)定向聲輻射應(yīng)用的需求，還需進(jìn)一步拓展超構(gòu)材料的動(dòng)態(tài)調(diào)控功能。在現(xiàn)有的研究中，主要有兩種方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)性。一種將聲學(xué)超構(gòu)材料中加入有源材料，通過檢測(cè)外部的參數(shù)來(lái)調(diào)整超構(gòu)材料自身的體積模量和質(zhì)量密度，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)聲學(xué)參數(shù)的目的。另外一種方式是通過調(diào)整超構(gòu)材料的幾何構(gòu)成，比如旋轉(zhuǎn)、平移、鏡像等，得到不同的聲學(xué)參數(shù)和聲學(xué)效應(yīng)。大多數(shù)超構(gòu)材料的宏觀聲學(xué)性能受控于微結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型，這意味著超構(gòu)材料制備完成后的聲學(xué)特性和功能均固定，缺乏動(dòng)態(tài)可調(diào)特性。因此，小尺寸且動(dòng)態(tài)可調(diào)的聲定向輻射設(shè)備亟需實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

0、
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)聲定向輻射的方法很難實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)聲波的方向和傳播。目前研究較多的是有源超材料和調(diào)節(jié)超構(gòu)材料的幾何構(gòu)成。在聲學(xué)超材料中加入有源材料，根據(jù)外部的參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)超構(gòu)材料自身的體積模量和質(zhì)量密度，但有源超材料的方法只能適用特定的場(chǎng)景。而通過調(diào)整超構(gòu)材料的幾何構(gòu)成，大部分受限于幾何構(gòu)型，在制備完成后聲學(xué)特性很固定，缺乏動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性。因此，目的主要是探究一種動(dòng)態(tài)可調(diào)且適用于多種場(chǎng)景的聲學(xué)超構(gòu)材料模型。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的關(guān)鍵技術(shù)是：

3、(1)基于圓柱形非均勻迷宮結(jié)構(gòu)

4、近年來(lái)，使用亞波長(zhǎng)尺寸的超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)的聲定向輻射成為了聲學(xué)領(lǐng)域中研究的一個(gè)熱點(diǎn)，其中迷宮結(jié)構(gòu)為聲定向輻射做出了很多貢獻(xiàn)。與利用揚(yáng)聲器陣列實(shí)現(xiàn)聲定向輻射的傳統(tǒng)方法相比，圓柱形非均勻四通道迷宮結(jié)構(gòu)在尺寸和可重構(gòu)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。使用這種微結(jié)構(gòu)可以很好地在亞波長(zhǎng)尺寸下完成聲波的調(diào)控。

5、(2)基于結(jié)構(gòu)的偶極子聲波指向性和旋轉(zhuǎn)各向異性

6、對(duì)于圓柱形迷宮結(jié)構(gòu)，其在不同頻率聲波的激發(fā)作用下，會(huì)表現(xiàn)出不同的共振模式，如單極子、偶極子、多極子模式等。其中該微結(jié)構(gòu)單元在單極子共振模式時(shí)，聲能將集中在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并向各個(gè)方向擴(kuò)散。當(dāng)該微結(jié)構(gòu)單元在偶極子共振模式時(shí)，聲能將表現(xiàn)出顯著的方向響應(yīng)特性。圓柱形非均勻迷宮結(jié)構(gòu)在偶極子模態(tài)時(shí)其聲波輻射具有較強(qiáng)指向性，幾何結(jié)構(gòu)上又具備非對(duì)稱性，當(dāng)微結(jié)構(gòu)以圓心為中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，其聲波定向輻射的方向也會(huì)發(fā)生改變。

7、(3)構(gòu)建圓環(huán)型超構(gòu)材料用于定向聲輻射

8、將點(diǎn)聲源放置在由18個(gè)非均勻迷宮結(jié)構(gòu)組成的圓環(huán)型超構(gòu)材料的中心，調(diào)節(jié)圓柱形非均勻迷宮結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度，使各結(jié)構(gòu)處于導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)，從而控制點(diǎn)聲源在各個(gè)方向上的傳播，實(shí)現(xiàn)具有動(dòng)態(tài)可調(diào)特性的定向聲輻射。和其他得到指向性聲波的方法相比，非均勻迷宮結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的聲定向輻射可以通過旋轉(zhuǎn)靈活改變指向性輻射的方向，只需將對(duì)應(yīng)方向的單元設(shè)置為打開狀態(tài)，其他單元處于截止?fàn)顟B(tài)，就可以得到一個(gè)簡(jiǎn)易的定向聲輻射裝置。

9、本發(fā)明的有益效果是：

10、由于本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種具有亞波長(zhǎng)尺寸的圓柱形非均勻迷宮結(jié)構(gòu)，運(yùn)用其偶極子的方向響應(yīng)特性和旋轉(zhuǎn)各向異性，構(gòu)造了一種便捷可調(diào)的聲學(xué)開關(guān)器件。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)造一種圓環(huán)型超構(gòu)材料，將非均勻迷宮結(jié)構(gòu)的開關(guān)特性與點(diǎn)聲源進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)可調(diào)的定向聲輻射。

11、(1)由于本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種圓柱形非均勻迷宮結(jié)構(gòu)超構(gòu)材料，可以在亞波長(zhǎng)尺寸下調(diào)控聲波。與利用揚(yáng)聲器陣列實(shí)現(xiàn)聲定向輻射的傳統(tǒng)方法相比，圓柱形非均勻四通道迷宮結(jié)構(gòu)在尺寸和可重構(gòu)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

12、(2)相比于聲學(xué)參數(shù)較為固定的傳統(tǒng)的聲學(xué)超材料，本發(fā)明設(shè)計(jì)的圓柱形超構(gòu)材料具有動(dòng)態(tài)可調(diào)性，可以根據(jù)需要調(diào)整微結(jié)構(gòu)的角度，從而可以透射聲波。

13、(3)由于本發(fā)明將點(diǎn)聲源和非均勻迷宮結(jié)構(gòu)組成的圓環(huán)型超構(gòu)材料相結(jié)合，為改造現(xiàn)有的簡(jiǎn)單聲源和實(shí)現(xiàn)特殊的聲波調(diào)控提供了一種新思路，同時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)可調(diào)的新型定向聲輻射原型器件的構(gòu)造具有重要意義。

技術(shù)特征：

1.一種利用圓柱形非均勻迷宮結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)定向聲輻射的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圓柱形非均勻迷宮結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)可調(diào)定向聲輻射，其特征在于：在步驟step1當(dāng)中，分別從墻壁厚度，空氣通道寬度，彎曲折數(shù)，內(nèi)外圓半徑，開口寬度和朝向，占比比例等因素考慮，設(shè)計(jì)出微結(jié)構(gòu)單元。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圓柱形非均勻迷宮結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)可調(diào)定向聲輻射，其特征在于：在步驟step2當(dāng)中，分析出微結(jié)構(gòu)的特殊模態(tài)頻率，本發(fā)明主要使用到的是微結(jié)構(gòu)的偶極子模態(tài)，在該模態(tài)下，微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出聲波指向性的性質(zhì)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圓柱形非均勻迷宮結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)可調(diào)定向聲輻射，其特征在于：在步驟step3當(dāng)中，使用步驟step2中分析出的偶極子頻率聲波進(jìn)行激發(fā)，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)微結(jié)構(gòu)單元，分析在不同角度下的微結(jié)構(gòu)單元對(duì)聲波的作用。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圓柱形非均勻迷宮結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)可調(diào)定向聲輻射，其特征在于，將點(diǎn)聲源放置在由18個(gè)非均勻迷宮結(jié)構(gòu)組成的圓環(huán)型超構(gòu)材料的中心，調(diào)節(jié)圓柱形非均勻迷宮結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度，使各結(jié)構(gòu)處于導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)，從而控制點(diǎn)聲源在各個(gè)方向上的傳播，實(shí)現(xiàn)具有動(dòng)態(tài)可調(diào)特性的定向聲輻射。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種圓柱形非均勻迷宮結(jié)構(gòu)，利用該微結(jié)構(gòu)的偶極子特性和旋轉(zhuǎn)各向異性來(lái)實(shí)現(xiàn)聲波在不同方向上定向輻射的動(dòng)態(tài)切換。在同時(shí)考慮偶極子共振的方向響應(yīng)特性和結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)各向異性的基礎(chǔ)上，當(dāng)結(jié)構(gòu)處于偶極子共振模態(tài)時(shí)，令非均勻迷宮結(jié)構(gòu)以其圓心為中心旋轉(zhuǎn)，該微結(jié)構(gòu)向外輻射聲波的位置和方向會(huì)發(fā)生改變。本文將這種微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成一種聲學(xué)開關(guān)，可以通過簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)來(lái)控制聲波是否透射。另外，將非均勻迷宮結(jié)構(gòu)緊湊地排列在點(diǎn)聲源外的圓環(huán)上，動(dòng)態(tài)改變多個(gè)微結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度，從而達(dá)到聲輻射方向動(dòng)態(tài)調(diào)控的目的，為改造現(xiàn)有的簡(jiǎn)單聲源和實(shí)現(xiàn)特殊的聲波調(diào)控提供了一種新思路。

技術(shù)研發(fā)人員：藍(lán)君,胡碗銣,劉昀鵬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10