一种具有宽频涡旋声波调制功能的声学器件及制作方法

：本发明属于声学，具体涉及一种具有宽频涡旋声波调制功能的声学器件及制作方法。

背景技术

0、背景技术：

1、为了克服体超材料存在的三维加工和金属损耗问题，科学家们提出了一种创新的解决方案，即通过将三维超材料压缩至二维，引入了超表面这一全新的超构材料概念。这类亚波长超构材料通过精巧的微结构设计实现对波动的调控。声学超表面以其简便高效的声场调控能力而脱颖而出，其超薄的特性相对于一般材料而言具有显著的优势，在航空航天、国防、以及日常生活中都有着重要的应用价值，比如在航天器隔音降噪、潜艇水下隐身、现代音乐厅设计和建筑墙壁隔音等方面。

2、中国专利cn202010256612.2公开了一种具有宽频声波转向功能的超表面结构，包括侧板、第一立板、第二立板和第三立板，侧板分别与第一立板、第二立板和第三立板垂直，第一立板、第二立板和第三立板相互平行，侧板、第一立板和第二立板围成第一空腔结构，侧板、第二立板和第三立板围成第二空腔结构，第二空腔结构的内壁设置有若干个形状不规则的用于使声波发生偏转的超表面单元；可以使入射平面波在一定的宽频范围内发生偏转，且可以使入射平面波具有特定的偏转角度，不仅实现了声波的波动调控，还可以用于控制噪声。中国专利cn202110347250.2公开了一种宽频编码声学超表面结构，包括声波反射基体，声波反射基体的反射表面上开有若干等间距矩阵排列的凹槽，部分或全部凹槽内插接有设有螺旋叶片的柱状体，螺旋叶片的轴线垂直于凹槽的底面，凹槽与柱状体插接配合通过柱状体与声波反射基体组合得到螺旋声通道，通过是否放入柱状体来对超表面进行0/1编码，可以实现轴线宽频声聚焦和宽频声学天线等多种功能。但是这些传统超材料在设计之后难以再次改变，其结构形式、操作频率和应用范围都是固定的，这极大地限制了超材料的适用性。总体而言，如何满足特定波控需求，实现超表面系统的系统化、高效化和定制化设计将成为该领域最基础也是最具挑战性的重要课题之一。

技术实现思路

0、技术实现要素：

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点，提供一种具有宽频涡旋声波调制功能的声学器件及制作方法，通过优化算法对器件的单元结构进行逆向设计，通过3d打印方法来加工该宽带涡旋器件；该器件能够在宽频范围内将入射平面波转化为涡旋波，在波动调控和声波通讯领域具有重要的应用前景。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种具有宽频涡旋声波调制功能的声学器件，包括超表面结构，该超表面结构整体为圆盘形，平均分为八个扇形区域，每个扇形区域由一种编码单元排列而成，八个扇形区域共由八种编码单元排列而成，八种编码单元均为立方体空腔结构，立方体的开口侧朝向声波入射方向，声波入射方向的厚度为4厘米，立方体的基板厚度为0.2cm；八种编码单元内部结构不同；八种编码单元通过遗传算法优化设计得到，八种编码单元内部结构由离散固体(由s所示)及其围成的空气通道(由a所示)组成。八个扇形区域的反射声波的相位差呈特定值分布，相邻扇形区域相差45度，因此八个扇形区域反射相位呈梯度分布，从而对反射声波引入角动量，使其转变为涡旋波束。

3、进一步地，所述超表面结构由8个扇形区域单元组成，即1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号、8号扇形区域按编号顺序逆时针或顺时针排列在圆盘形器件内。

4、进一步地，所述编码单元由基板、离散固体及其之间的空气通道组成。

5、进一步地，所述每个编码单元的离散固体和空气通道的几何构型是通过遗传算法优化设计得到，相邻扇形区域内的两种编码单元的反射声波相位差45度。。

6、进一步地，入射声波从所述空气通道进入编码单元内部，经过内部结构调控之后，反射声波相位呈现特定程度的延迟，且相邻编号扇形区域间反射相位差为45度左右。

7、进一步地，所述的声学器件，在器件工作的宽频范围内，声波的波长均大于器件的厚度(器件厚度4.2厘米)，即呈现亚波长特征。

8、本发明所述编码单元固体结构以3d打印方法制备。由于每个编码单元的几何形式不同，声波进入编码单元后共振模式也不相同，因此声波在被编码单元反射以后，声波相位出现不同程度的延迟。通过优化设计寻找合适的编码单元几何构型，使编码单元的反射相位随编号呈梯度变化，相邻编码单元间反射相位差值约为45度。因此，将八种编码单元沿圆周方向排列为圆形涡旋器件，使其反射声波变为含有角动量的涡旋波，且在宽带内有效。

9、本发明还提供所述具有宽频涡旋声波调制功能的声学器件或超表面结构的制作方法，先确定每个编码单元的反射声波相位值，使相邻编号编码单元的反射声波相位差值为45度，然后对应相位值采用遗传算法对每个编码单元的内部空气通道进行优化，得到每个编码单元的固体结构，通过3d打印得到八种编码单元；将八种编码单元按编号顺序逆时针或顺时针填充在圆形的八个扇形区域内，同一个扇形区域内的编码单元相同，得到圆盘形的具有宽频涡旋声波调制功能的声学器件或超表面结构。

10、本发明与现有技术相比，本发明对器件的单元结构进行逆向设计，先优化设计找到适当的编码单元几何构型，使得编码单元的反射相位随编号呈梯度变化，而相邻编码单元之间的反射相位差值约为45度，然后将八种编码单元排列成圆形涡旋器件，使其反射声波呈现出含有角动量的涡旋波，在宽带范围内表现出卓越的性能。八种编码单元排列组合能灵活多变，根据需要能按编号逆时针或顺时针排列，形成不同转向的螺旋声场，也能根据需要排列组合成具有其他功能的声学器件；本发明声学器件能够在广泛的频率范围内将入射声波转变为涡旋声波，可用于声波通讯、粒子悬浮等领域。

技术特征：

1.一种具有宽频涡旋声波产生功能的声学器件，其特征在于，包括超表面结构，该超表面结构整体为圆盘形，平均分为八个扇形区域，相邻扇形区域的反射声波的相位差45度，八个扇形区域反射相位呈梯度分布，从而对反射声波引入角动量，使其转变为涡旋波束。

2.根据权利要求1所述的具有宽频涡旋声波产生功能的声学器件，其特征在于，每个扇形区域由一种编码单元排列而成，八个扇形区域共由八种编码单元排列而成；八种编码单元均为立方体空腔结构，由基板、离散固体及其之间的空气通道组成。

3.根据权利要求2所述的具有宽频涡旋声波产生功能的声学器件，其特征在于，每个编码单元的离散固体和空气通道的几何构型是通过遗传算法优化设计得到，相邻扇形区域内的两种编码单元的发射声波相位差45度。

4.根据权利要求2所述的具有宽频涡旋声波产生功能的声学器件，其特征在于，所述编码单元固体结构以3d打印方法制备。

5.根据权利要求2所述的具有宽频涡旋声波产生功能的声学器件，其特征在于，在器件工作的宽频范围内，声波的波长均大于器件的厚度，即呈现亚波长特征。

6.根据权利要求2所述的具有宽频涡旋声波产生功能的声学器件，其特征在于，声波入射方向的厚度为4厘米，编码单元的基板厚度为0.2cm。

7.权利要求1-6任一项所述具有宽频涡旋声波产生功能的声学器件的制作方法，其特征在于，先确定每个编码单元的反射声波相位值，使相邻编号编码单元的反射声波相位差值为45度，然后对应相位值采用遗传算法对每个编码单元的内部空气通道进行优化，得到每个编码单元的固体结构，通过3d打印得到八种编码单元；将八种编码单元按编号顺序逆时针或顺时针填充在圆形的八个扇形区域内，同一个扇形区域内的编码单元相同，得到圆盘形的具有宽频涡旋声波调制功能的声学器件。

技术总结本发明属于声学技术领域，涉及一种具有宽频涡旋声波产生功能的声学器件，包括超表面结构，整体为圆盘形，平均分为八个扇形区域，相邻扇形区域的反射声波的相位差45度，每个扇形区域由一种编码单元排列而成，八种编码单元均为立方体空腔结构，由基板、离散固体及其之间的空气通道组成，通过遗传算法优化设计得到；八个扇形区域反射相位呈梯度分布，从而对反射声波引入角动量，使其转变为涡旋波束；八种编码单元排列组合能灵活多变，根据需要按编号逆时针或顺时针排列，形成不同转向的螺旋声场，也能根据需要排列组合成具有其他功能的声学器件；本发明声学器件能够在广泛的频率范围内将入射声波转变为涡旋声波，可用于声波通讯、粒子悬浮等领域。技术研发人员：屈文镇,赵胜东,董浩文,谷岩,赵丹丹受保护的技术使用者：青岛大学技术研发日：技术公布日：2024/5/9