1.本发明涉及声学材料技术领域，特别涉及一种流体类型的声学透射超表面结构及其制作方法和应用。


背景技术：

2.当声波遇到水气界面时，绝大部分的声波都会被反射掉，只有约0.1％的声波能量能够穿透水气界面进行传输。与声波在海水中的弱吸收相比，声波穿过水气界面的损失(约30db)是巨大的。例如，一个频率为500hz平面波，其在均匀海水中的声波吸收约为0.025db每千米，那么声波穿过水气界面的损失相当于此声波在海水中传播1200千米的损失。因此，水气界面是声波传输中难以逾越的屏障。声波在水气间的跨介质传输一直是一个巨大的挑战。随着人们对海洋的探索，人类的水下活动也变得十分频繁，增强水下和水上的声波交流具有十分重要的应用。
3.申请号为202110602376.x的中国专利虽然提出了一种超疏水的声学透射超表面，可以实现水气间的声学透射增强效果。然而由于超疏水表面只能形成微米级的气层，其工作频率范围主要是在超声波段(20khz)。申请号为201910913321.3的中国专利提出了利用构造分离的气泡阵列的方法来实现低频的声学增强透射效果。然而，其工作频率难以预测和调控，气泡也易于溶解消失。因此，在可听见声波波段内，依旧缺少可利用简单公式来预测其工作频率、透过频率易于调控的、结构简单稳定的增强水气间声学透射的实用方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种流体类型的声学透射超表面结构及及其制作方法和应用，一种工作频率可解析预测和灵活调节的、结构简单稳定、易于实用化的声学透射超表面，以增强10hz-10khz间频率的声波在水和空气间的传播，为水下和水上的声学信息传递提供有效方案。
5.为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种流体类型的声学透射超表面结构，其特征在于，是将一个带膜的穿孔固体板或者不带膜的穿孔固体板在深度为h的水中固定一层厚度为d的气层而得。
6.前述的一种流体类型的声学透射超表面结构，所述穿孔固体板包括穿孔板件和密实的配重件，所述密实的配重件设置于穿孔板件的周边。
7.穿孔板件和密实的配重件可以一体化3d打印，也可以分别制造，然后通过粘合剂组装在一起。穿孔板件中的孔是为了封存空气层，其厚度就对应着气层的厚度d。周边密实的配重是为了调控浮力，通过调控其质量可使气层精确地位于水下深度h处。从而可精确调控该流体类型的声学透射超表面结构的工作频率。
8.前述的这种流体类型的声学透射超表面结构，所述穿孔板件由多个带孔的固体单元构成，所述多个带孔的固体单元中孔的排列为周期性分布或非周期性分布；带孔的固体单元其孔的形状为正多边形棱柱状、矩形棱柱状、圆柱状的一种或几种的组合。
9.带孔固体单元上的孔为垂直孔，上下底形状相同。其公式(i)中β的定义即为这些孔的上底或下底的总面积与上层水的截面积之比。孔越密集，β越大，相应地，公式(i)所预测工作频率越精确，一般β应大于0.64。
10.前述的这种流体类型的声学透射超表面结构，所述穿孔板件的材料为无机非金属材料、金属材料或有机高分子材料中的一种；所述密实的配重件的材料为无机非金属材料、金属材料、有机高分子材料中的一种。
11.如上述的一种流体类型的声学透射超表面结构的制作方法，包括以下步骤：
12.(1)制备带膜的穿孔固体板或者不带膜的穿孔固体板；
13.(2)将带膜的穿孔固体板或者不带膜的穿孔固体板置于水中，利用带膜的穿孔固体板或者不带膜的穿孔固体板来锁定空气层而得所述流体类型的声学透射超表面结构。所述的空气层通过带膜或不带膜的穿孔固体板来锁定以克服浮力而稳定存在；所述流体类型的声学透射超表面结构的工作频率(f
max
)通过公式(i)精确计算：
[0014][0015]
其中，ρa和ρw分别是空气和水的质量密度；ca是声波在空气中的传输速度；β为空气层和水层的横截面积之比，h是穿孔固体板上方的水层厚度，d为气层厚度。
[0016]
此工作频率等于以气层为弹簧，以上层厚度为h的水为质量振子的弹簧振子系统的共振频率。考虑到3d打印等加工固体的精度，气层控制的精度，以及毛细作用，此方法适合的工作频率在10hz-10khz之间。
[0017]
前述的这种流体类型的声学透射超表面结构的制作方法中，所述利用不带膜的穿孔固体板来锁定空气层具体是通过以下方式：当穿孔固体板中孔的尺寸小于毛细作用长度(约2.7mm)时，对穿孔固体板的固体表面进行疏水处理，利用固体界面的疏水作用来锁定气层；
[0018]
所述利用带膜的穿孔固体板来锁定空气层具体是通过以下方式：当穿孔固体板中孔的尺寸大于毛细作用长度(约2.7mm)时，通过在穿孔固体板两侧包覆一层声学透明的薄膜隔绝水来锁定气层。
[0019]
当孔的尺寸小于2.7mm时，可以通过把固体表面疏水处理，直接把穿孔固体板浸没在水中，利用疏水作用来捕获这层气体，此时为不带膜的穿孔固体板。当孔的尺寸大于2.7mm时，使用上述方法水会浸入孔中而无法稳定地形成一层气体。这可通过在穿孔固体上下表面包覆一层声学透明薄膜来实现稳定气层的制备。孔的尺寸可以按照等面积圆的直径去估算。
[0020]
孔的尺寸大小与声波的粘性和热损耗有关。孔尺寸越小，声波损耗越大。例如，当孔在2mm左右时(不带膜的穿孔板)，声能透过率约为20％，当增大到2cm左右时(带膜的穿孔板)，其声能通过率可接近90％。
[0021]
前述的这种流体类型的声学透射超表面结构的制作方法中，所述穿孔固体板两侧包覆的声学透明薄膜是指对声波在水中传播几乎无影响的声学阻抗远小于水的阻抗的薄膜，可为10μm-100μm厚的聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或者聚酯薄膜。
[0022]
前述的这种流体类型的声学透射超表面结构的制作方法中，所述对穿孔固体板的固体表面进行疏水处理的方式为：使水在穿孔固体板表面形成角度大于90
°
的接触角。使水
在穿孔固体板表面形成角度大于90
°
的接触角的优选方法为在穿孔板固体板表面修饰低表面能的物质，如在穿孔固体板表面修饰氟硅烷。
[0023]
前述的这种流体类型的声学透射超表面结构的制作方法中，所述穿孔固体板的加工方法为3d打印、模具浇铸、直接打孔法中的一种或几种。
[0024]
如权利要求1～4任一项所述流体类型的声学透射超表面结构在水气间传递中增强声波的应用。
[0025]
本发明流体类型的声学透射超表面结构的工作原理是以气体层为弹簧，以上层水为质量的弹簧振子的共振传声作用。共振频率处，入射波和反射波在很薄的气层内发生相位转变，入射波和反射波相干相消从而减弱了声波反射。由于共振频率处气层具有很高的声能量密度，可以向水中或空气中辐射声波，从而起到了增大声波透射的作用。此声学透射超表面结构具有超薄的特性，工作频率对应的波长约为气层厚度的千分之一。此流体类型的声学透射超表面结构的工作频率灵活可调，可通过人工调节气层的浸没深度h来实现。在声波从水中向空气中斜入射时(入射角小于75
°
)，此流体类型的声学透射超表面结构依然具有较高的增强效果(大于20db)。在工作频率的增强透射效果是指与裸露的空气水界面相比，声波的透过增大了20db以上
[0026]
与现有技术相比，本发明提供的流体类型的声学透射超表面结构可有效增强10hz-10khz频率的声波在水和空气之间的传播。其带膜和或不带膜的穿孔固体板可以有效地稳定气泡，从而具有结构稳定、方法简便的特点。因此在实用中，此流体类型的声学透射超表面结构可用于水下物体和水上物体的声学传导和通讯。具体地说，本发明可以让水下的扬声器以较小的功率就可以把声波传输到空气中。另外，也可以借助本发明，使用空气中的扬声器在空气中向水下发射声波，从而可使用造价便宜的空气中的扬声器来替代昂贵的水下扬声器等等。
附图说明
[0027]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限制。在附图中：
[0028]
图1是发明实施例1中制备的穿孔固体板的结构示意图；
[0029]
图2是发明实施例1中所制备流体类型的声学透射超表面结构的气层放大实物图片；
[0030]
图3是发明实施例1中所制备的流体类型的声学透射超表面结构的透射效果有限元计算结果；
[0031]
图4是发明实施例1中所制备的流体类型的声学透射超表面结构的从水向空气斜入射的透射效果有限元计算结果；
[0032]
图5是发明实施例1中有无流体类型的声学透射超表面结构的音乐信号的声学透射对比结果；
[0033]
图6是发明实施例2中声波透过流体类型的声学透射超表面结构的声能透过率、反射率和吸收率。
[0034]
附图标记：1-穿孔板件，2-配重件，3-水。
[0035]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0037]
以下实施例中，使用的照片由尼康相机拍摄。模拟计算软件为comsol multiphysics 5.5。声学测试设备为b&k声学测试系统。
[0038]
本发明的实施例1：
[0039]
(1)流体类型的声学透射超表面结构的制备
[0040]
利用商业化的3d打印机打印一体化的穿孔板件(1)和密实的配重件(2)，材料为尼龙(密度1020kg/m3)，打印成型的穿孔固体板结构示意图如图1所示。其中，穿孔固体板的孔被设计为矩形棱柱，高为d，上下底都为边长为a-w的正方形,其中w为孔与孔间的固体的壁厚。设计有900个孔，具体参数a＝3mm,w＝1.2mm,d＝5.11mm。设计的配重为四个矩形棱柱，其高为38mm，底面积为12mm
×
12mm。它可以使所封住的气层位于水下约8.8mm处，通过公式解析预测其工作频率在475hz，考虑到损耗，有限元计算显示其工作频率约为452hz。由于尼龙表面本来就是疏水表面，不必再做特殊的疏水处理，直接浸没到水中，即可制备出流体类型的声学透射超表面结构。被疏水的固体界面所固定住的气层放大图片如图2所示。
[0041]
(2)水气界面声学增强效果
[0042]
利用有限元可计算此流体类型的声学透射超表面结构的声学透射效果。此结构自然漂浮在水面上，其工作频率在452hz左右。通过手动改变其气层的浸没深度，其工作频率可以在很宽范围内调控。如图3所示，设定一个参数k＝h/7.91mm,通过调节k值来参数化扫描计算其声波透射曲线，结果显示，此声学透射超表面结构的工作频率可以在200hz-1000hz内进行跳进，其增强的效果都超过了20db。
[0043]
(3)声波从水中向空气中斜入射的声学增强效果
[0044]
固定图3中的参数k值为1.6，使用参数化扫描入射角，计算其声波透射曲线，结果如图4所示。声波从水中向空气中入射时，在入射角从0到75
°
时，与没有超表面的水气界面相比，其声学透射依然在20db以上，其所增强的频率几乎不变。
[0045]
(4)实际应用展示
[0046]
为了证明此流体类型的声学透射超表面结构的实用性。本案例利用所制备的流体类型的声学透射超表面结构去增强音乐信号的透射。编辑的音乐信号其旋律的频率在300-500hz之间，以接近此流体类型的声学透射超表面结构的工作频率(452hz)。音乐信号通过水下的音响发射，水上的麦克风收集有无此声学透射超表面结构时的信号。其结果如图5所示。与没有该流体类型的声学透射超表面结构相比，有流体类型的声学透射超表面结构的音乐信号的声压得到了明显增大。因此，此声学透射超表面结构可以应用于声学信息在水下和水上的交流。比如，可以应用于泳池中，可以让水下喇叭发出的声音在空气中和水中同样地被听到。在不方便安装水下喇叭的区域，借助此声学透射超表面结构，可以利用空气喇叭向水下发出声音等等。
[0047]
本发明的实施例2：
[0048]
(1)流体类型的声学透射超表面结构的制备
[0049]
利用打孔法，在厚度为3.1mm的pvc板上钻上矩形棱柱的四方排列的孔，其参数含义与案例1相同，具体为：a＝20mm,w＝2mm,d＝3.1mm。并人工控制配重使其穿孔固体板浸没在h＝10mm位置处。在穿孔固体板的两侧，紧密地贴合20微米厚的聚乙烯薄膜，来避免水进入孔内。缓慢地把此结构浸没在水中，即可制备出此声学透射超表面结构。
[0050]
(2)水气界面声学增强效果
[0051]
利用有限元计算此声学透射超表面结构的声学透射效果，结果如图6所示。此声学透射超表面结构声能透过率接近90％，反射率小于2％，吸收率小于10％。与没有此声学透射超表面结构相比，在工作频率处，声能的透过率增大了约900倍。因此，此声学透射超表面结构可以有效地增强特定频率声波的透射。
[0052]
(3)声学应用
[0053]
制备大面积此声学透射超表面结构漂浮在水面上，可以把水中的一些特定频率的声波导入到空气中。可以利用空气中的麦克风来检测水下的声音，由于空气中的噪声水平更低，此检测会比水下的直接检测灵敏度更高。同时又避免使用了昂贵的水下声学检测设备。
[0054]
以上为本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均在本发明的保护范围之内。
[0055]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再逐一详细说明。
[0056]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视为本发明所公开的内容。