一种比特编码单元及声隐身超表面

本发明涉及声学超材料，具体而言，涉及一种比特编码单元及声隐身超表面。

背景技术：

1、声学超表面是一种由亚波长单元结构以一定的顺序排列组成的二维超材料。相比于声学超材料，超表面具有结构紧凑、体积小、易于加工等特点而且可以实现高效率的声波调控。在众多应用中，实现高质量的声隐身性能一直是声学超表面的研究热点。为了进一步提高声隐身技术的性能并探索新型声隐身方法，近年来科研人员基于声学超材料和超表面设计了各种声学器件。虽然这些科研成果可以实现较好的声隐身效果，但是其调控自由度低、结构复杂和环境适应性差等缺点极大地限制了这些声学器件的应用价值。

2、传统的声隐身技术主要使用吸声材料来减小反射强度，但是随着探测技术的发展，传统材料受制于质量密度定律的限制，重量大，低频效果差，难以满足实际环境需求。这一方面使传统声隐身技术面临巨大挑战。

3、一方面，在声隐身的研究上，声学超表面可以实现低频声吸收，从而实现声隐身效果。例如，科研人员基于薄膜结构设计了一个阻抗匹配的声学超表面，可以实现近乎完美的低频声吸收。除了采用薄膜结构以外，由迷宫结构所组成的声学超表面也可以通过延长声波的传播路径来增加声能量的损耗，从而达到吸声效果。声学超表面器件通过在器件表面覆盖吸声超材料的方式来降低器件的反射波强度和自身的辐射噪音，从而达到声隐身的目的，但是尚需进一步解决其结构复杂、使用条件苛刻等问题。

4、另一方面，通过研究声学超表面的单元排布，可以实现反射波的干涉相消，从而降低超表面的散射截面。科研人员基于上述原理，设计了一个谐振腔式结构，并基于施罗德扩散体的设计理论，实现了类似于光学中的漫反射现象，即声扩散现象。此类声扩散体虽然可以通过将反射波的能量分散，从而降低被探测方向上的反射波强度，最终实现较好的声隐身效果，但是却无法兼具工作频段宽和结构简单的优点。

5、虽然基于声学超表面来实现声隐身已经取得了大量科研成果，但是尚有大量的应用有待研究和探索。比如吸收和扩散均有望实现较好的声隐身效果，而结合两者优点进一步提高声隐身性能，变得极具现实意义和工程价值。鉴于现有技术的不足和实际应用的重要性，本发明提供一种吸收-散射功能相结合的比特编码单元及声隐身超表面。

技术实现思路

1、为解决现有比特编码单元存在无法同时满足吸收及散射的条件下同时实现空气和吸收腔体之间具有良好的阻抗匹配的问题，本发明提供了一种比特编码单元及声隐身超表面。

2、第一方面，本发明提供了一种比特编码单元，包括：

3、一个吸收腔体，所述吸收腔体内部具有第一空腔，所述第一空腔内设置有第一隔板，所述第一隔板沿上下方向将第一空腔分隔为相连通的第一子空腔和第二子空腔，所述第一子空腔与第二子空腔之间具有第一通道；所述第一隔板具有第一部分与第二部分，所述第一部分靠近第一通道设置，所述第二部分远离第一通道设置，所述第一隔板朝向第一子空腔所在端面于第一部分与第二部分连接处形成有第一台阶，所述第一隔板沿水平方向于第一台阶处将第一子空腔分隔为相连通的第一腔室与第二腔室，所述吸收腔体的顶部开设有第一开口，所述第一开口与第二腔室之间相连通，且所述第一开口远离第一通道设置，所述吸收腔体的底部开设有第二开口，所述第二开口与第二子空腔之间相连通；其中，沿所述第一隔板的延伸方向，所述第一部分的厚度与所述第二部分的厚度的比值为0.45-0.55，所述第一部分的长度与所述第二部分的长度的比值为0.7-0.8，所述第一腔室的体积与第二腔室的体积的比值为0.83-0.95；

4、一个散射腔体，固定于所述吸收腔体的底部，所述散射腔体具有开口向上的第二空腔，所述第二空腔沿上下方向形成有相连通的第三子空腔和第四子空腔，所述第三子空腔与第二开口连通；其中，沿所述第一隔板的延伸方向，所述第三子空腔的长度与所述第四子空腔的长度不同；

5、其中，沿上下方向，所述吸收腔体形成有第一投影区，所述散射腔体形成有第二投影区，所述第一投影区与第二投影区重叠。

6、在一些实施例中，所述散射腔体的材质为光敏树脂材料。

7、在一些实施例中，所述第二子空腔内沿上下方向依次设置有第二隔板、第三隔板、第四隔板及第五隔板，沿所述第一隔板的延伸方向，所述第二隔板、第三隔板、第四隔板及第五隔板呈错位设置，且将所述第二子空腔分隔为依次连通的第五子空腔、第六子空腔、第七子空腔、第八子空腔及第九子空腔，所述第五子空腔通过第一通道与第一腔室相连通，第九子空腔通过第二开口与第三子空腔相连通，所述第八子空腔与第九子空腔之间具有第二通道；

8、所述第二隔板与第四隔板的形状均呈矩形板状，所述第二隔板与第四隔板的长宽高尺寸相同；

9、所述第三隔板的形状呈矩形板状，所述第二隔板的长度与所述第三隔板的长度的比值为0.09-0.14；

10、沿上下方向，所述第一隔板形成有第三投影区，所述第二隔板形成有第四投影区，所述第三隔板形成有第五投影区，所述第三投影区与第四投影区局部重叠，第四投影区与第五投影区局部重叠。

11、在一些实施例中，所述第五隔板具有第一台阶部分与第二台阶部分，所述第一台阶部分靠近第二通道设置，所述第二台阶部分远离第二通道设置，所述第五隔板朝向第九子空腔所在端面于第一台阶部分与第二台阶部分连接处形成有第二台阶，所述第五隔板沿水平方向与第二台阶处将所述第九子空腔分隔为互相连通的第三腔室与第四腔室，所述第三腔室通过第二通道与第八子空腔相连通；

12、沿所述第一隔板的延伸方向，所述第一台阶部分的厚度与所述第二台阶部分的厚度的比值为0.45-0.55，所述第一台阶部分的长度与所述第二台阶部分的长度的比值为0.38-0.45，所述第一腔室的体积与第二腔室的体积的比值为0.76-0.85。

13、在一些实施例中，所述吸收腔体的材质包括高分子材料、金属材料、玻璃和陶瓷的一种或多种。

14、在一些实施例中，沿上下方向，所述第一隔板与第二隔板之间、所述第二隔板与第三隔板之间、及所述第三隔板与第四隔板之间呈等间距设置。

15、在一些实施例中，所述散射腔体的单元周期长度w的取值范围为：24mm≤w≤26mm；

16、第三子空腔的腔体高度h1的取值范围为：5mm≤h1≤6mm，第三子空腔的腔体长度d1的取值范围为：6.8mm≤d1≤7.6mm；

17、第四子空腔的腔体高度h2的取值范围为：5mm≤h2≤6mm，第四子空腔的腔体长度d2的取值范围为：6.5mm≤d2≤23mm。

18、在一些实施例中，所述吸收腔体通过3d打印、或注塑进行加工成型。

19、在一些实施例中，所述散射腔体通过3d打印进行加工成型。

20、在一些实施例中，所述吸收腔体沿上下方向的高度ha的取值与所述散射腔体沿上下方向的高度hb的取值之比为1.58-2.1。

21、另一方面，本发明还提供了一种声隐身超表面，包括由多个比特编码单元按照预先设计的编码状态在二维平面内进行任意排列构成。

22、在一些实施例中，至少两个所述比特编码单元的散射腔体的相位差为180度。

23、在一些实施例中，多个所述比特编码单元的编码状态包括“0”与“1”；

24、其中，至少两个所述比特编码单元的声波反射相位差接近180度，且该至少两个所述比特编码单元的吸收腔体的几何参数均相同；

25、当一个所述比特编码单元的几何参数为h1＝5、d1＝7.2、h2＝5、d2＝6.5时，编码状态为“0”，另一个所述比特编码单元的几何参数为h1＝5、d1＝7.2、h2＝5、d2＝17.5时，编码状态为“1”；或，

26、当一个所述比特编码单元的几何参数为h1＝5、d1＝7.2、h2＝5、d2＝7时，编码状态为“0”，另一个所述比特编码单元的几何参数为h1＝5、d1＝7.2、h2＝5、d2＝18时，编码状态为“1”；或，

27、当一个所述比特编码单元的几何参数为h1＝5、d1＝7.2、h2＝5、d2＝11时，编码状态为“0”，另一个所述比特编码单元的几何参数为h1＝5、d1＝7.2、h2＝5、d2＝19时，编码状态为“1”；或，

28、当一个所述比特编码单元的几何参数为h1＝5、d1＝7.2、h2＝5、d2＝11.5时，编码状态为“0”，另一个所述比特编码单元的几何参数为h1＝5、d1＝7.2、h2＝5、d2＝19.5时，编码状态为“1”；或，

29、当一个所述比特编码单元的几何参数为h1＝5、d1＝7.2、h2＝5、d2＝12.5时，编码状态为“0”，另一个所述比特编码单元的几何参数为h1＝5、d1＝7.2、h2＝5、d2＝20时，编码状态为“1”；或，

30、当一个所述比特编码单元的几何参数为h1＝5、d1＝7.2、h2＝5、d2＝13时，编码状态为“0”，另一个所述比特编码单元的几何参数为h1＝5、d1＝7.2、h2＝5、d2＝21时，编码状态为“1”；或，

31、当一个所述比特编码单元的几何参数为h1＝5、d1＝7.2、h2＝5、d2＝14时，编码状态为“0”，另一个所述比特编码单元的几何参数为h1＝5、d1＝7.2、h2＝5、d2＝22时，编码状态为“1”；或，

32、当一个所述比特编码单元的几何参数为h1＝5、d1＝7.2、h2＝5、d2＝14.5时，编码状态为“0”，另一个所述比特编码单元的几何参数为h1＝5、d1＝7.2、h2＝5、d2＝23时，编码状态为“1”。

33、本发明的有益效果在于：

34、通过本发明的技术方案，将吸收腔体内部的第一腔室与第二腔室之间的特殊尺寸的结构设计，满足计算过程中空气和吸收腔体内部之间具有良好的阻抗匹配，这可以减小声波在传输过程中的反射幅值，也可以更好地实现全覆盖的反射相位。

35、通过本发明的技术方案，在中等带宽下实现了高性能的散射截面缩减，本技术公开的比特编码单元的结构简单，加工工艺成熟，且加工成本低廉。在吸收腔体与散射腔体的共同作用下，实现了反射波均匀分散和散射截面缩减的效果。

36、通过本发明的技术方案，本技术公开的比特编码单元可同时实现吸收及散射功能，进一步提升声隐身的效果。