[發明專利]一種水下亞波長局域共振型聲學超材料

有效

• 申請號: 201811029346.9
• 申請日: 2018-09-05
• 公開（公告）號: CN110880312B
• 公開（公告）日: 2023-10-27
• 發明（設計）人: 夏百戰;鄭圣潔
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G10K11/172
• 分類號: G10K11/172
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種水下亞波長局域共振型聲學超材料，包括外部為水域1,不銹鋼圓柱形外殼2和不銹鋼三叉星形柱體3。不銹鋼三叉星形柱體3的三個外叉之間的夾角為120°，將圓柱內腔均分為三個扇形空腔9、10和11。三個扇形空腔9、10和11為空氣域。本發明的水下亞波長局域共振型聲學超材料在頻帶[0Hz,60000Hz]內具有四段極寬的完全帶隙。在完全帶隙內，聲波的傳播被完全截斷而無法繼續向前傳播，降低水下物體因其輻射噪聲而被聲吶探測的可能性。本發明的水下亞波長局域共振型聲學超材料具有Dirac點，其中最低頻Dirac點的標準化頻率為0.0072，遠低于1。Dirac點頻率附近的聲波可實現零相位差傳播而不改變聲波的波前陣形，降低水下障礙物被聲吶主動探測的可能性。

技術領域

本發明涉及局域共振結構、Dirac點、亞波長帶隙、聲學超材料、聲隱身和聲屏蔽，尤其涉及一種水下亞波長局域共振型聲學超材料。

背景技術

相對于空氣而言，水中聲波的傳播速度更快，約為1500m/s。因此，同一頻率下水中聲波的波長是空氣中聲波波長的4倍以上。傳統Bragg散射型聲子晶體的最低帶隙中心頻率所對應的波長約為晶格常數的2倍，即傳統Bragg散射型聲子晶體可阻斷波長約為其晶格常數1/2倍的聲波傳播。因此，要實現水下低頻噪聲的屏蔽與聲隱身等，需采用較大的晶格常數。較大的晶格常數，會造成聲子晶體的體積過大而嚴重限制其工程實用價值。然而，現在潛艇、軍艦魚雷等重要國防裝備以及水下重要軍用和民用設施對水下低頻噪聲的吸聲、聲屏蔽和聲隱身等提出了迫切需求。以潛艇等重要國防裝備的聲隱身為例，潛艇發動機發出的噪聲成為聲吶被動探測的主要聲源，而發動機低頻噪聲的屏蔽需要采用較厚的吸聲材料，價格昂貴，并且會嚴重限制潛艇艇身綜合性能的最優化。此外，主動聲納技術的快速發展更是嚴重提高了潛艇的可探性，降低了潛艇的隱身性能。由于水的阻抗和材料的阻抗比較接近，空氣中常用的Helmholtz共振腔等結構難以應用于水下亞波長聲屏蔽。因此，發展水下亞波長局域共振型聲學超材料將極大的推動水下低頻振動噪聲的有效屏蔽和聲隱身，在潛艇隱身等諸多場合可獲得較好的應用。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種水下亞波長局域共振型聲學超材料，其能在極寬的亞波長完全帶隙內高效屏蔽噪聲，阻斷聲波向前傳播；能在Dirac點附近實現亞波長聲波零相位差傳播，降低水下重要設施的可探測性。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種水下亞波長局域共振型聲學超材料。水下亞波長局域共振型聲學超材料為圓柱形；包括一個圓柱形外殼和一個三叉星形柱。

作為本發明的水下亞波長局域共振型聲學超材料的改進：水下亞波長局域共振型聲學超材料采用圓柱形。

作為本發明的水下亞波長局域共振型聲學超材料的進一步改進：圓柱的外部為圓柱形外殼。

作為本發明的水下亞波長局域共振型聲學超材料的進一步改進：圓柱的內部為三叉星形柱。

作為本發明的水下亞波長局域共振型聲學超材料的進一步改進：三叉星形柱的中心位于圓柱體的圓心。

作為本發明的水下亞波長局域共振型聲學超材料的進一步改進：三叉星形柱與圓柱外殼連接。

作為本發明的水下亞波長局域共振型聲學超材料的進一步改進：三叉星形柱的夾角為120°。

作為本發明的水下亞波長局域共振型聲學超材料的進一步改進：三叉星形柱將圓柱內腔分為三個扇形區域。

作為本發明的水下亞波長局域共振型聲學超材料的進一步改進：扇形區域的夾角為120°。

作為本發明的水下亞波長局域共振型聲學超材料的進一步改進：扇形區域填充空氣。

本發明與背景技術相比，具有較好的效果是：