[發明專利]一種用于增強水-空氣界面聲透射的超表面的制作方法

在審

• 申請號: 202210024371.8
• 申請日: 2022-01-07
• 公開（公告）號: CN114357890A
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 王艷鋒;周紅濤;汪越勝;張少聰
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06F119/18
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 潘俊達

本發明公開了一種用于增強水?空氣界面聲透射的超表面的制作方法，以聲波在水?空氣界面處的透射效率為優化目標，采用拓撲優化方式逆向設計了一種聲學超表面，該聲學超表面由周期性排列的聲學超表面單元組成，該聲學超表面單元由特定形狀的固體框架組成。將設計的聲學超表面放置在水?空氣界面之間，可實現聲波在水與空氣界面處雙向的高效透射，透射效率接近100％；同時對于不同的入射場，如高斯平面波束和柱面波束，也能實現較高的透射率；本發明設計方式簡單，可直接采用3D打印方式制作，無需任何化學工藝等其他方式進行后續加工處理，簡化了設計流程和制作方式。

技術領域

本發明屬于聲學的技術領域，具體涉及一種用于增強水-空氣界面聲透射的超表面的制作方法。

背景技術

海洋約占地球表面面積的70％左右，海空通信則可有效地在空中和海水之間進行信息傳遞，在海洋網絡開發，海上應急通信等方面發揮著重要作用。然而，與陸地空間通信不同的是，海空通信需要跨海洋—空氣界面，涉及到水和空氣兩種傳播介質，電磁波在海水中傳播時場強會呈指數規律衰減，光在海水中傳播時會發生嚴重的散射，而聲波作為一種機械波，在海水中的衰減小得多，可得到從幾百米延伸至幾十公里的通信距離。因而，聲波將是連接海洋、大氣和陸地三者之間一種最為有效的媒介。

然而，由于水和空氣的特征聲阻抗相差3600多倍，當聲波入射到水-空氣界面時，絕大部分的聲波將會被反射，只有約0.1％的聲波能量可以透射傳輸，這將極大地限制了聲波在水-空氣界面處的傳播效率。

面對聲阻抗比相差較大的跨介質傳輸問題，運用聲學理論中傳統四分之一波長匹配層理論，則需要尋找一種特征聲阻抗約為空氣聲阻抗60倍的均質材料，顯然很難在自然界中找到這類天然材料，目前被證明為較為有效的方法是通過水下氣泡共振的方式，但為了使得設計的結構內部能夠鎖住氣泡，需要對結構進行進一步的疏水化學處理，增加了額外的制作工序、制作時間和制造成本。

發明內容

本發明的目的在于：針對現有技術的不足，提供一種用于增強水-空氣界面聲透射的超表面的制作方法，采用拓撲優化方式逆向設計了聲學超表面，能夠將設計的聲學超表面放置在水-空氣界面之間，實現聲波在水與空氣界面處雙向的高效透射。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種用于增強水-空氣界面聲透射的超表面的制作方法，包括：

步驟一、預設聲波在水到空氣界面處高效透射的聲波頻率f；

步驟二、根據λ＝c/f，計算該聲波頻率f下聲波波長λ，其中，c為聲波在空氣中的傳播速度；

步驟三、根據聲波波長λ確定聲學超表面單元結構的尺寸，其中，聲學超表面單元結構外形為矩形，矩形的寬度為a，高度為b，可取a＝λ/8，b＝λ/20；

步驟四、采用拓撲優化方式，將聲學超表面單元結構劃分為若干個像素點，以聲波在水到空氣界面處的透射效率為優化目標，通過對劃分的每個像素點賦予不同的材料參數，然后計算單個聲學超表面單元在周期邊界條件下聲波從水到空氣的透射率；

步驟五、循環執行步驟四，調整聲學超表面單元結構中若干個像素點的材料參數分布，逐步迭代，使得計算得到的聲波從水到空氣的透射率接近為100％，從而獲得最佳的材料參數分布，所獲得的最佳的材料參數分布即為聲學超表面單元結構。

優選的，所述步驟四中，所述拓撲優化方式為結構逆向設計方式，采用基于改進的遺傳算法進行結構優化，同時采用并行計算方式。

優選的，所述步驟四中，所述材料參數包括固體材料和氣體材料，所述固定材料為環氧樹脂，所述氣體材料為空氣。

優選的，所述步驟四中，在對單個聲學超表面單元結構優化過程中，采用上下對稱、左右對稱進行約束設置。