多级环
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腔耦合模型、声学超表面材料及反射式隐身结构
技术领域
1.本发明属于声学隐身材料技术领域，具体涉及一种多级环
‑
腔耦合模型、声学超表面材料及反射式隐身结构。


背景技术：

2.隐身是一种将一个物体屏蔽起来，使其不对外界物理场产生扰动的技术。长期以来，它一直是科幻电影里虚构的情节。由于其在军事领域具有极其重要的应用价值，如隐身飞机和潜艇等，该技术一直是各个国家的科研人员争相研究的对象，目前实现隐身的方法主要是基于坐标变换。然而，基于这种方法实现完美隐身所需要的材料参数不是均匀分布的，且极度各向异性，这就不可避免地会导致其体积过于庞大，因此阻碍了该技术手段的应用。随着声学超材料的不断发展，研究者发现利用超材料对探测波相位的调控同样可以实现很好的隐身效果，并且利用这种方法设计出的材料厚度远小于工作波长，较好地解决了隐身材料的尺寸问题。
3.19世纪中旬，亥姆霍兹提出了一种共振器，用来在复杂声场中辨认特定频率的声波。这种共振器有一个大腔体和两个小开孔组成，较细的开孔作为声波的入射孔，球形的大腔体作为共振腔，较大的开孔可以让人的耳朵贴在上面作为声波的出射孔。当特定频率的声波从入射端传入时，会引发共振，人们的耳朵就可以轻易分辨出来。从上面的分析可以看出，亥姆霍兹共振器可以看做是一个l
‑
c共振电路，大腔体作为声容c，两个开孔可以看做声感l，当频率满足要求时，就可以产生共振，这种亥姆霍兹共振器就是声学超材料的设计原型。在其内部嵌入一个开口环，即可得到一级环模型。现有的一级环模型的研究主要集中于其在特定频率下的吸声性能大小。然而，由于该模型对声波相位的影响较小，难以实现所需的隐身功能。如何设计多级环模型从而实现高效的声学隐身功能目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种多级环
‑
腔耦合模型。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种多级环
‑
腔耦合模型，包括从内向外依次活动嵌套的多个圆环，每个所述圆环上开设有多个开口，相邻两个所述圆环之间具有空腔；
7.相邻两个所述圆环上的开口交错设置，每个所述圆环上的开口与该圆环两侧的空腔连通，形成多级环
‑
腔结构。
8.优选地，还包括外壳，所述外壳中间开设有与所述多级环
‑
腔结构配合的容纳腔，所述多级环
‑
腔结构设置在所述容纳腔内，所述外壳上开设有与所述容纳腔及外界连通的入射孔。
9.优选地，所述外壳为正方形结构。
10.优选地，所述入射孔的开口宽度为a0，第n个圆环的开口的宽度为a
n
、第 n个圆环的旋转角度为θ
n
；当改变a0、a
n
、θ
n
中任一个参数或同时改变任意两个参数时整个模型在不同
的位置产生共振，同时也使得在某一频率的入射波在从所述入射孔进入的条件下反射波产生不同的相位。
11.优选地，每个所述圆环上均匀开设有4个开口。
12.优选地，所述圆环共有6层，所述外壳的边长为60mm，所述入射孔的开口宽度及每个所述圆环的宽度均为2mm，6层所述圆环从外向内的半径分别为 33mm、29mm、25mm、21mm、17mm、14mm。
13.优选地，所述外壳及圆环为铜制材料，杨氏模量为110
×
109pa，泊松比为 0.35，密度为8960kg/m3。
14.本发明的另一目的在于提供一种声学超表面材料，将多个所述多级环
‑
腔耦合模型周期性的平铺起来，组成一组所述声学超表面材料。
15.优选地，不同所述多级环
‑
腔耦合模型的圆环的开口宽度或旋转角度不同。
16.本发明的另一目的还在于提供一种反射式隐身结构，将多组所述声学超表面材料进行排布构成所述反射式隐身结构，需要隐身的物体放置在所述反射式隐身结构下方。
17.本发明提供的多级环
‑
腔耦合模型、声学超表面材料及反射式隐身结构具有以下有益效果：
18.(1)该模型内部由多个环组成，内部各环的旋转角度可以有多种组合方式，以实现特定的相位调控，对于实现隐身功能表现出了更大的灵活性；
19.(2)该多级环
‑
腔耦合模型不仅对垂直入射的探测波具有优异的隐身效果，其隐身功能对大范围角度内入射的探测波均适用，表现出了更宽的适用范围。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为单环声学传输线模型结构示意图；
22.图2
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1为本发明实施例1的多级环
‑
腔耦合模型的结构示意图；
23.图2
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2为本发明实施例1的多级环
‑
腔耦合模型的声学传输线模型；
24.图3为多级环
‑
腔耦合模型中，不同结构参数配置下反射相位与频率的关系；
25.图4为在1875hz处单元结构的相位差随各自旋转角度的变化曲线；
26.图5为单元结构的选取和声学超表面的构建示意图；
27.图6为声学超表面对反射声波传播方向的可调控制结构示意图；
28.图7为斜面反射示意图；
29.图8为相位补偿法实现斜面隐身的设计示意图；
30.图9为地毯式隐身的设计示意图；
31.图10为地毯式隐身斗篷的隐身效果图。
具体实施方式
32.为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术
方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
34.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
35.实施例1
36.首先，本实施例设计了一种简单的共振腔，如图1所示，在一个环形结构四周开设了4个开口，中间的大腔体可看作一个声容，四周的四个小开口可以看做四个连接在声容上的声感，同样可以使得特定频率的入射波在此结构内发生共振。腔内空气的振动相位与入射波之间存在相位差，当发生共振时，腔内空气的振动可显著影响反射波的相位，有可能与入射波同相或反相。测量时也有很大概率观测到负质量密度的出现。在共振频率下，通过旋转可以获得不同的反射波相位。
37.在此基础上，本实施例公开了一种多级环
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腔耦合模型，具体如图2所示，图2
‑
1为模型示意图，该模型包括从内向外依次活动嵌套的多个圆环，每个圆环上开设有多个开口，相邻两个圆环之间具有空腔；相邻两个圆环上的开口交错设置，每个圆环上的开口与该圆环两侧的空腔连通，形成多级环
‑
腔结构。
38.进一步地，为了保证入射入射波从一个方向进入，本实施例在上述结构基础上还增加了外壳，外壳中间开设有与多级环
‑
腔结构配合的容纳腔，多级环
‑ꢀ
腔结构设置在容纳腔内，外壳上开设有与容纳腔及外界连通的入射孔。也就是说，最外侧圆环的开口与入射孔连通。
39.具体的，本实施例中外壳为正方形结构，每个圆环上均匀开设有4个开口。
40.进一步地，本实施例中，圆环共有6层，外壳的边长为60mm，入射孔的开口宽度及每个圆环的宽度均为2mm，6层圆环从外向内的半径分别为33 mm、29mm、25mm、21mm、17mm、14mm。
41.本实施例中，外壳及圆环为铜制材料，杨氏模量为110
×
109pa，泊松比为 0.35，密度为8960kg/m3。
42.如图2
‑
1所示，每个圆环的开口的宽度及圆环宽度都是独立变化的参数。这结构的好处在于，它既能对声波产生共振，又有许多可以独立改变的参数，例如入射孔开口宽度a0、第n个开口圆环的开口宽度a
n
、第n个开口圆环旋转的角度θ
n
等。当改变a0、a
n
、θ
n
中任一个参数或同时改变任意两个参数时会使整个模型在不同的位置产生共振，也可以使得在某一频率的入射波下反射波产生不同的相位，给以后的设计带来很多便利。图2
‑
2为该多级环
‑
腔耦合模型对应的声学传输线模型，同样可以用等效电路理论来描述这个模型，每个开口
都可以看做是一个声感，传播通道可以看做声阻，中间的空腔可以看做声容，这个模型由很多个声感、声阻和声容组成。
43.本发明利用comsol仿真研究了频率在1800
‑
2000hz范围内，每个圆环旋转角度发生变化时，对应的反射波相位如图3所示。不同符号代表不同配置的结构单元，“rg”代表圆环从外向内的不同序号，“ag”代表相应圆环的旋转角度，其最大旋转角度只有45度。从图中可以观察到，在其他频率段，相位随着频率近似线性变化；而在这一频率段，反射波相位发生大幅跃变，且每种结构跃变的位置都不同，这种变化被称为相位突变。相位突变的出现说明了在这一区域，不同的单元结构都在各自谐振频率发生了共振。
44.图4给出了在1875hz处所有圆环各自进行旋转时对应的反射相位差值。相位变化能取到0
‑
2π内的任意值。不同形状和符号的线段分别代表1环 (rg1)至6环(rg6)，在设计超表面时，如果需要不同的相位变化值，可以对照这个图表，寻找相应配置的单元结构。
45.实施例2
46.基于同一发明构思，本实施例还提供了一种声学超表面材料，将多个多级环
‑
腔耦合模型周期性的平铺起来，组成一组声学超表面材料。
47.具体的，不同多级环
‑
腔耦合模型的圆环的开口宽度或旋转角度不同。
48.本实施例在图4中选择一段较为均匀的区域，以π/4为间隔，选取8个单元结构(即多级环
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腔耦合模型)组成一个周期。将这些单元结构周期性的平铺起来，组成声学超表面材料。这种超表面材料满足广义斯涅尔定律中关于相位变化梯度的要求，因此这种超表面材料能观察到广义斯涅尔定律的反常反射和负反射现象。在单元结构的选取时，同一相位变化，可以有多个单元结构配置与之对应，这样就给本发明提供了多种选择，这里本发明选取尽量准确且贴近要求相位变化的单元结构。例如π/4，约为0.7854，本发明可以选取能够提供最贴近这个数字的单元结构rg5ag8.2，它的相位变化为0.7839。由于这种单元结构非常灵活，因此本发明可以取到非常贴近要求的各个单元结构。选取的八个单元结构与对应的结构编码，图5(a)中的正方形显示的是要求的理想相位，五角星表示实际能取到的相位，可以看到两者几乎可以完全重合。本发明将超表面放在一个2360
×
5160mm2的求解域中进行模拟，构建的的声学超表面材料，如图5(b)所示。波导的四壁设置完美匹配层，避免波在波导管内多次反射影响实验结果。超表面以上的空间填入背景声压场模拟平面入射波，观测求解域内的散射声压场，本发明就可以得到反射波的反射方向和反射波形。本发明可以改变入射波的方向得到不同入射条件下，反射波的空间分布情况。
49.图6展示了三个入射角度下，这种超表面对入射波的反射情况。以下括号中的角度代表真实的入射反射角，即与法线的夹角；括号外的角度是与直线 x＝0的夹角，记这个角有利于统一地标记各个方向。图6(a)显示的是垂直入射 (0
°
)时的情况，如果没有超表面存在，声波会垂直反射，但在超表面的调控下，反射波以约68
°
(22
°
)的方向出射，这与斯涅尔定律预测的 67.60
°
(22.4
°
)相差无几。图6(b)展示了入射角为120
°
(
‑
30
°
)时，波的反射情况，反射角约为28
°
(62
°
)，广义斯涅尔定律预测此时的反射角为 28.23
°
(61.77
°
)。图6(c)展示了一种负折射现象，在入射角为80
°
(10
°
)的情况下，反射角为78
°
(12
°
)，两者出现在法线的同一侧。
50.实施例3
51.当声波入射到平坦地面上的一个物体上时，由于物体本身的形状相对于平坦的地
面来讲存在一定的凸起，其对入射波的散射行为注定和背景地面完全不同，由此该物体将会被探测器探测到。基于同一发明构思，在上述声学超表面材料的研究基础上，本实施例还公开了一种反射式隐身结构，将多组声学超表面材料进行排布构成反射式隐身结构，需要隐身的物体放置在反射式隐身结构下方，实现地毯式隐身。
52.具体的，本实施提供的为一种反射式声隐身斗篷，在上述模型中找出符合条件的单元结构，将这些单元结构进行排布构成需要的超表面材料，将超表面材料安置在物体的表面，提供所需的相位差，来调剂斗篷表面的反射波相位，使反射波仍为平面波，实现地毯式隐身。
53.下面先考虑一个简单的斜面来对该隐身结构进行说明，斜面下方可以放置需要隐身的物体。图7展示了斜面反射的示意图，一束平行入射波打在斜面上， a、b、c为斜面上的不同位置。根据惠更斯原理，球形波面上的每一点都是一个次级球面波的子波源，子波的波速与频率等于初级波的波速和频率，此后每一时刻的子波波面的包络就是该时刻总的波动的波面，介质中任一处的波动状态是由各处的波动决定的。a、b、c这三点分别作为一个子波源向外辐射，在同一时刻，a点出发的波传播的距离最远，球面波的半径也最大，b点次之， c点最小，将同一时刻的波面包络连接起来，就是此时的波面，子波源出发垂直于波面的方向即为反射方向。可以看到，由于入射波到达三个点的时刻不同，所以这三个子波源发出次级波的时刻也不同，体现在传播方程上就是相位各不相同，更靠近波源的点在相位上超前它其他点一个值，这个值与距波源距离的大小有关，或者说与自身所在高度有关。
54.如果本发明在a、b两点上加上一个可以产生相位延迟的单元结构，相位延迟的大小可以弥补这三点之间的高度差，使它们在相位方面表现得如同是一个水平面产生的一样(如图8所示)，这样就可以达到地毯式隐身效果。
55.相位差大小的具体的要求为，本发明以a、b两点为例，假设a、b两点的高度差δy＝d，那么a、b之间产生的相位差应满足：
[0056][0057]
本发明设计出的上述单元结构可以满足这里补偿相位差的需要。本发明不妨取频率f＝1875hz，波长λ＝c/f＝0.1829m，然后平均地取8个基元依次排列成一个周期，每两个之间的相位差为π/4。每个单元的宽度为60mm。代入公式中进行计算，可得到单元间的高度差应为11.43mm，斜面的倾角为θ＝10.79
°
。
[0058]
本发明将斜面镜像沿短直角边翻转，形成一个等腰三角形区域，如图9所示。这个区域下方可以用来放置被隐藏的物体，区域的上表面每条边上分别放置两个周期的单元结构。整个模型被放在一个2360
×
5200mm2的求解域内进行仿真，求解域的四壁依旧设置完美匹配层，超表面以上设置背景声压场，以散射声压场来描述反射声波。
[0059]
图10展示了隐身斗篷的隐身效果。图10(a)为平坦地面的反射声场分布，表示空间中没有任何障碍物时声波的反射情况，此时空间波场显示为均匀一致的平面波。图10(b)为障碍物为三角形的反射情况，显示了没有隐身斗篷时，反射波的分布情况。可以看到，声波被三角形障碍物向侧面散射，而在垂直方向几乎没有任何反射。图10(c)为隐身斗篷的隐身效果，显示了在有隐身斗篷时，反射波被原路返回。在远场条件下，可以同入射波一样呈现均匀的平面波形式。因此，该声学超表面实现了非常好的地毯式隐身效应。
[0060]
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。