[發明專利]一種基于CMA-ES優化算法設計聲學超材料單元的方法

有效

• 申請號: 201710050942.4
• 申請日: 2017-01-23
• 公開（公告）號: CN106650179B
• 公開（公告）日: 2019-11-12
• 發明（設計）人: 程強;黃蓓;宋剛永;崔鐵軍
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 吳飛

1.一種基于CMA-ES優化算法設計聲學超材料單元的方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)根據聲學超材料單元的設計尺寸確定各個粒子的維度及取值空間，得出樣本空間的初始分布，從中選擇若干粒子構成父系種群；

(2)父系種群中的每個粒子均是0-1分布的陣列，根據陣列分布在仿真軟件中將每個粒子均構建成一個聲學單元物理模型，其中，0代表由空氣構成的聲學單元結構的子單元，1代表由光敏樹脂構成的聲學單元結構的子單元；

(3)對父系種群中的每個聲學單元物理模型進行提參，得到其等效折射率和阻抗值，將該等效折射率和阻抗值作為適應度函數的變量求得適應度函數值，根據適應度函數值判斷父系種群中是否存在滿足目標條件的粒子；如存在，算法停止，如不存在，更新種群，進行迭代算法，直至達到預設的停止條件；

(4)最終停止時得到滿足條件的粒子，其對應的聲學單元物理模型即為符合設計要求的聲學超材料單元模型結構。

2.根據權利要求1所述的基于CMA-ES優化算法設計聲學超材料單元的方法，其特征在于，步驟(3)中，所述適應度函數值為滿足阻抗取值范圍的每個粒子的等效折射率最大值。

3.根據權利要求2所述的基于CMA-ES優化算法設計聲學超材料單元的方法，其特征在于，步驟(3)中，所述適應度函數的表達式為：

Cost＝max(n(Xi))&(ξ(X_i)＜ξ_upper)；

對于父系種群中的粒子X_i，如果其阻抗值ξ(X_i)滿足ξ(X_i)＜ξ_upper，那么其折射率n(Xi)在一定頻段內的最大值max(n(Xi))即為其適應度函數值；如果其阻抗值ξ(X_i)不滿足ξ(X_i)＜ξ_upper，那么這個粒子的適應度函數值為0。

4.根據權利要求1所述的基于CMA-ES優化算法設計聲學超材料單元的方法，其特征在于：步驟(3)中，先通過有限元分析方法對種群中的每個聲學單元模型結構進行仿真，得到其反射系數和透射系數，然后由反射系數和透射系數求得其等效折射率和阻抗。

5.根據權利要求4所述的基于CMA-ES優化算法設計聲學超材料單元的方法，其特征在于，所述等效折射率n根據下式確定：

式中，m為分支選擇數，R、T分別為聲學超材料單元結構的反射系數和透射系數，d為聲學超材料單元在聲波傳播方向上的厚度；k＝2πf/c₀，其中f為頻率，c₀為環境媒質中的聲速。

6.根據權利要求1所述的基于CMA-ES優化算法設計聲學超材料單元的方法，其特征在于，步驟(3)中，當父系種群中不存在滿足目標條件的粒子時，從父系種群中選取若干個最優的粒子構成子孫種群，得出這個種群的初始分布，獲得新的滿足高斯分布的樣本空間并重復前述步驟、直至達到預設的停止條件。

7.根據權利要求1所述的基于CMA-ES優化算法設計聲學超材料單元的方法，其特征在于，采用八分之一對稱優化算法設計聲學超材料單元結構：將預設計的聲學超材料單元結構劃分為八部分，通過CMA-ES優化算法優化得到其中一部分的單元結構，將該部分的單元結構翻折對稱得到其余結構。