一种水空气声阻抗匹配超表面结构的制作方法

本发明属于声学超表面，具体涉及一种水空气声阻抗匹配超表面结构。

背景技术：

1、随着人类对海洋资源的开发利用，水上和水下的通讯变得越来越重要。水上通讯一般使用电磁波和声波作为载体来传播信息，水下通讯因电磁波在水中衰减很快，水下主要依靠声波来完成信息传递。因此，声波是一种潜在的通用工具，其可用于海洋、大气和陆地间的直接信息交流。但由于水和空气阻抗相差约3600倍，当声波遇到水面时，只有大概0.1％的能量能够透射，绝大部分声能会被反射，声波穿过水气界面的传声损失高达30db。水空气界面是声波传输中难以逾越的屏障，尤其在水空气界面实现宽低频的声传输很具挑战性。

2、通过在水空气界面引入声阻抗匹配层可有效提升能量透射率。声阻抗匹配层大体分两类，一类是传统的1/4波长阻抗匹配层，另一类是具有阻抗匹配功能的声学超表面。1/4波长阻抗匹配层在早期被大量研究，现阶段已经比较成熟，其原理是在不同介质界面插入另一层均匀介质，当均匀介质阻抗等于两侧介质声阻抗的几何平均，并且其厚度满足声波1/4波长奇数倍时，可实现100％声透射。1/4波长阻抗匹配层的特点是可实现完美声透射，其局限在于天然材料一般难以满足匹配层的阻抗要求，只能在离散的窄频范围工作，在低频范围的匹配层厚度很大。

3、声学超表面是一类具备特定波控功能的二维声学结构(或平面)，可通过亚波长声学单元结构来控制声场相位及强度。具备阻抗匹配功能的声学超表面大致有两类，分别是渐变型超表面和谐振型超表面。对于渐变型阻抗匹配超表面，其设计原理是在两介质界面插入一层声阻抗渐变的材料或结构，超表面两端阻抗分别与两侧介质相等(或相近)，超表面内部阻抗随空间连续变化，由于原界面的突变阻抗被超表面平滑过渡，界面能量透射被大幅度提升。对于谐振型阻抗匹配超表面，其设计原理是在两介质界面引入薄层谐振单元，当入射声波的频率等于谐振单元共振频率时，声激励会诱发介质界面剧烈响应，入射声波会被大量辐射到界面另一侧，进而能有效提高界面透射率。

4、两类阻抗匹配超表面应用于水空气界面时均存在其自身局限。渐变型阻抗匹配超表面的微结构相对复杂，其通常基于几何渐变来实现阻抗渐变，由于水和空气两种介质的声阻抗差异极大，需要厚度很大的匹配层才能实现较好匹配效果。对于谐振型阻抗匹配超表面，因为是基于谐振机理来提升界面透射，可使用很薄的材料或结构来实现阻抗匹配，但其工作频段主要局限于共振频率附近。实现宽低频的且厚度小的水空气阻抗匹配超表面仍然极具挑战性，新的阻抗匹配结构亟待提出。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种水空气声阻抗匹配超表面结构，能够用较小厚度实现水空气界面的宽低频声阻抗匹配。

2、本发明的一个方面提供一种水空气声阻抗匹配超表面结构，包括第一金属膜、第二金属膜、压电堆、压电堆电路和圆柱腔体；

3、所述第一金属膜为圆形薄膜，厚度均匀，所述第二金属膜为圆形薄膜，中心加工有凸台结构；

4、所述圆柱腔体为两端开放的空腔结构，所述第一金属膜和所述第二金属膜平行固定于所述圆柱腔体的两端，形成密封腔体，内部填充有空气；

5、所述第一金属膜、所述第二金属膜和所述圆柱腔体构成腔膜耦合的谐振单元，在入射声波的频率等于所述谐振单元的共振频率的情况下，产生声结构耦合共振；

6、所述压电堆置于所述圆柱腔体外部的空气中，所述压电堆的一端与所述第二金属膜的凸台结构固定连接，所述压电堆的另一端被固定，所述压电堆对所述第二金属膜构成弹性约束，通过改变所述压电堆的等效刚度能够调节所述第二金属膜的振动特性，从而调控所述谐振单元的共振频率，改变所述超表面结构的工作频段；

7、所述压电堆电路包括串联的负电感和负电容，所述负电容用于使所述压电堆具备等效负刚度，能够降低所述超表面结构的工作频率，所述负电感用于赋予所述压电堆频散刚度特性，使所述压电堆的等效刚度随频率而变化。

8、优选地，所述压电堆是由多片几何形状相同的压电片依次叠压构成，相邻两片压电片的极化方向相反；所述压电堆电路的一端与压电堆中的每一片压电片均连接，另一端接地，并且压电堆中的每一片压电片均接地。

9、优选地，不同的压电堆等效刚度和对应的超表面结构共振频率构成最佳刚度-频率曲线，通过调整负电容和负电感的参数值，能够使压电堆等效刚度满足特定频散关系，从而能够追踪最佳刚度-频率曲线，实现宽低频水空气声阻抗匹配。

10、优选地，所述压电堆的等效刚度ks为：

11、

12、其中，ep为压电堆等效杨氏模量，ap为压电片截面积，hp为压电堆高度。

13、优选地，所述压电堆等效杨氏模量ep为：

14、

15、其中为机电耦合系数，为短路杨氏模量，cp为压电堆总电容，ze为压电堆电路总阻抗，ω为角频率，为虚数单位，d33、和分别代表压电片的压电系数、恒定电场下的柔度系数和恒定应力下的介电常数。

16、优选地，所述第一金属膜和所述第二金属膜的材料为铝、铜、铁或铝合金。

17、优选地，所述压电片的材质为压电陶瓷材料。

18、优选地，所述圆柱腔体的厚度范围为10mm～100mm。

19、根据本发明上述方面的水空气声阻抗匹配超表面结构，能够用较小厚度实现水空气界面的宽低频声阻抗匹配。

技术特征：

1.一种水空气声阻抗匹配超表面结构，其特征在于，包括第一金属膜、第二金属膜、压电堆、压电堆电路和圆柱腔体；

2.根据权利要求1所述的水空气声阻抗匹配超表面结构，其特征在于，所述压电堆是由多片几何形状相同的压电片依次叠压构成，相邻两片压电片的极化方向相反；所述压电堆电路的一端与压电堆中的每一片压电片均连接，另一端接地，并且压电堆中的每一片压电片均接地。

3.根据权利要求1或2所述的水空气声阻抗匹配超表面结构，其特征在于，不同的压电堆等效刚度和对应的超表面结构共振频率构成最佳刚度-频率曲线，通过调整负电容和负电感的参数值，能够使压电堆等效刚度满足特定频散关系，从而能够追踪最佳刚度-频率曲线，实现宽低频水空气声阻抗匹配。

4.根据权利要求3所述的水空气声阻抗匹配超表面结构，其特征在于，所述压电堆的等效刚度ks为：

5.根据权利要求4所述的水空气声阻抗匹配超表面结构，其特征在于，所述压电堆等效杨氏模量ep为：

6.根据权利要求1-5中任一项所述的水空气声阻抗匹配超表面结构，其特征在于，所述第一金属膜和所述第二金属膜的材料为铝、铜、铁或铝合金。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的水空气声阻抗匹配超表面结构，其特征在于，所述压电片的材质为压电陶瓷材料。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的水空气声阻抗匹配超表面结构，其特征在于：所述圆柱腔体的厚度范围为10mm～100mm。

技术总结本发明公开了一种水空气声阻抗匹配超表面结构，包括第一金属膜、第二金属膜、压电堆、压电堆电路和圆柱腔体；第一金属膜为圆形薄膜，厚度均匀，第二金属膜为圆形薄膜，中心加工有凸台结构；圆柱腔体为两端开放的空腔结构，第一金属膜和第二金属膜平行固定于圆柱腔体的两端，形成密封腔体，内部填充有空气；压电堆置于圆柱腔体外部的空气中，压电堆的一端与第二金属膜的凸台结构固定连接，压电堆的另一端被固定，压电堆对第二金属膜构成弹性约束；压电堆电路包括串联的负电感和负电容，负电容用于使压电堆具备等效负刚度，负电感用于赋予压电堆频散刚度特性。本发明能够用较小厚度实现水空气界面的宽低频声阻抗匹配。技术研发人员：廖允鸿,杨亦春,王辰辰,付强受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/3/4