一种基于温度动态调控的水下宽带声透镜

本发明涉及可调控声学超材料，尤其涉及一种基于温度动态调控的水下宽带声透镜。

背景技术：

1、海洋覆盖地球表面总面积的70.8％，包含了地球上97％的水资源，是地球的生命之源，但人类对于海洋资源宝库的探索甚少。声波依靠介质的机械振动传输能量，在海水中的传播衰减较小，是水下远距离信息传输的有效载体。因此，以声波为信息载体的水声探测是人类探索和利用海洋的重要手段。

2、材料作为声波的传播介质，一直以来被设计成具有各种物理效应的声超构材料，实现对声波的多样性操控。通常，声超构材料的结构一旦确定，声学功能也随之固定。一般地，可采用多物理场耦合的方式实现超材料声学功能的可调控制，如使用电、磁、机械力和热等外加物理场作为主动调控的驱动策略。其中，利用温度场与声场耦合实现声波束的动态调控是较为简单的方式，不需要设计复杂的结构，通过主动调控温度即可使声超构材料的声学参数改变，进而实现对声波波束的主动调控。然而，以温度场与声场耦合设计的声学功能器件研究尚少，主要应用于空气介质中，并且没有针对其功能的实现进行材料设计与实验验证。因此，发明人针对水下声学场景并基于温度调控实现声学功能主动调控的功能器件，提出一种针对性的解决的方案。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于温度动态调控的水下宽带声透镜，该声透镜具有宽带特性，且可以通过温度场的改变来调控器件的声折射率分布，进而实现声波波束的动态调控。

2、根据本发明的一个方面，提供一种基于温度动态调控的水下宽带声透镜，包括：

3、多个不同掺杂比例的柔性体单元按预设序列排列，用于使水下宽带声透镜的温度场和声场相耦合；

4、该柔性体单元由一掺杂比例可调的柔性体以及多个设置于柔性体各个面的可控电加热元件组成，该可控电加热元件用于调节柔性体单元温度。

5、在上述技术方案中，水下宽带声透镜利用柔性体在温度场与声场耦合时所产生的声学效应，通过可控电加热元件来改变各柔性体单元的温度场以改变其各单元的声折射率，进而实现对声波波束的动态调控。

6、在一些实施例中，所述柔性体随机均匀掺杂有固体颗粒或液态微滴。

7、在上述技术方案中，柔性体是将固体颗粒或液态微滴随机均匀地掺杂进软弹性体的声学软超材料，此声学软超材料表现出良好的柔性、声阻抗与水相近、并且因声波在内部经历多次散射而可通过调整掺杂比例调制其声折射率。

8、在一些实施例中，所述柔性体是将钨粉颗粒掺入有机硅橡胶的复合材料，其声折射率随掺杂比例的增加而增大，并且其声阻抗趋近于水的声阻抗。具体地，所述柔性体可以是掺入钨粉的硅胶复合材料、掺入钨粉的水凝胶复合材料、掺入氧化物的柔性复合材料、或液态金属复合材料等。

9、在上述技术方案中，柔性体的声阻抗与水的声阻抗相近，可促使声波能量在介质间高效传输。

10、在一些实施例中，多个不同掺杂比例的柔性体单元按预设序列排列，具体地：

11、若干不同掺杂比例的立方体状的柔性体单元沿着第一方向依序排列组成水下宽带声透镜。

12、在上述技术方案中，柔性体在声场-温度场耦合时产生的声学效应，进一步选定柔性复合材料中掺杂物的掺杂比例以及材料单元的预设序列，并设定可控电加热元件与之组成水下宽带声透镜以满足不同的声偏转要求。

13、在一些实施例中，所述水下宽带声透镜按照预设序列的声折射率公式如下：

14、

15、式中，nx为声折射率，声折射率nx是水的声速cw与第一方向上的任意处声速cx的比值，即θd为所述水下宽带声偏转透镜所预期实现的声偏转角，取值范围为0～90°；d为所述水下宽带声偏转透镜的厚度；nx＝0为所述水下宽带声偏转透镜中点处的声折射率。

16、在上述技术方案中，通过该推导的声折射率公式可以满足该特定排列方式下的声场与温度场的耦合。

17、在一些实施例中，多个不同掺杂比例的柔性体单元按预设序列排列，具体地：

18、若干不同掺杂比例且等环宽的环状柔性体单元按同心圆排列组成水下宽带声透镜。

19、在上述技术方案，柔性体在声场-温度场耦合时产生的声学效应，进一步选定柔性复合材料中掺杂物的掺杂比例以及材料单元的预设序列，并设定可控电加热元件与之组成水下宽带声透镜以满足不同的声偏转要求。

20、在一些实施例中，所述水下宽带声透镜沿同心圆放射线方向的声折射率公式如下：

21、

22、式中，nr为声折射率，声折射率nr是水的声速cw与水下宽带声透镜沿同心圆放射线方向上任意处声速cr的比值，即d为所述水下宽带声聚焦透镜的厚度，小于一个波长，即d<λ；f为声波束聚焦的目标焦距；nr＝0为所述水下宽带声聚焦透镜表面中点的声折射率。

23、在上述技术方案中，通过该推导的声折射率公式可以满足该特定排列方式下的声场与温度场的耦合。

24、在一些实施例中，还包括与可控电加热元件电连接的电路温控系统，

25、该电路温控系统包括：多路温控仪、继电器、电源及布设于所述柔性体内部的若干热电偶；

26、其中，多路温控仪分别与若干热电偶及继电器电连接；继电器与所述可控电加热元件电连接；电源分别与继电器及所述可控电加热元件电连接。

27、在上述技术方案中，通过预设目标温度和电路温控系统的电力参数，控制可控电加热元件的热量输出，进而以热传导的方式改变各硅胶复合物单元的温度。

28、根据本发明的另一个方面，提出一种基于温度动态调控的水下宽带声透镜使用方法，基于上述的一种基于温度动态调控的水下宽带声透镜，所述方法包括如下步骤：

29、基于透射波的广义斯涅尔定律，推导声透镜的声折射率连续分布，并作离散化处理以便实验制备；

30、柔性体在声场-温度场耦合时产生的声学效应，进一步选定柔性体掺杂物的掺杂比例以及材料单元的预设序列，并设定可控电加热元件与之组成水下宽带声透镜；

31、通过温控系统控制可控电加热元件调整水下宽带声透镜的温度场，使水下宽带声透镜的温度场和声场相耦合，实现对声波波束的动态调控。

32、在上述技术方案中，水下宽带声透镜利用柔性体在温度场与声场耦合时所产生的声学效应，通过可控电加热元件来改变各柔性体单元的温度场以改变其各单元的声折射率，进而实现对声波波束的动态调控。

33、在一些实施例中，基于透射波的广义斯涅尔定律，推导声透镜的声折射率连续分布，并作离散化处理以便实验制备，具体地：

34、根据声透镜的目标声学功能，画出其透射声线，并分析该透射声线的声程几何关系；

35、若，声程几何关系较为简单，则计算声程差，并基于声程差获取声透镜的折射率分布曲线；

36、否则，基于透射波的广义斯涅耳定律进行数学关系的推导，并基于推导结果获取声透镜的声折射率分布曲线。

37、在上述技术方案中，本实施例的声透镜是基于透射波的广义斯涅耳定律设计的，由此定律推导得到器件表面方向上的声折射率分布，进而本发明的声透镜可适用于宽频范围内。