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CN111489732B - 一种声学超表面及其设计方法和声学装置 - Google Patents

一种声学超表面及其设计方法和声学装置 Download PDF

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CN111489732B CN202010181925.6A CN202010181925A CN111489732B CN 111489732 B CN111489732 B CN 111489732B CN 202010181925 A CN202010181925 A CN 202010181925A CN 111489732 B CN111489732 B CN 111489732B
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Abstract

本发明提供了一种声学超表面及其设计方法和声学装置，声学超表面包括背腔结构，所述背腔结构包括底隔声板，及设置于所述底隔声板一侧表面上且围成多个腔体的侧壁隔声板；以及，覆盖于所述侧壁隔声板背离所述底隔声板一侧的多个盖板，所述盖板为穿孔板，且所述盖板与所述腔体一一对应形成单胞。由上述内容可知，本发明提供的声学超表面，根据其预期功能要求来设计确定每个单胞的反射系数及单胞的相位差构成的相位差的空间分布；且进一步根据该相位差的空间分布和反射系数，来确定单胞阵列的排布方式及每个单胞的参数，最终使得声学超表面符合预期功能要求，实现声学超表面对声波相位调制的目的。本发明提供的声学超表面结构简单且成本低。

Description

一种声学超表面及其设计方法和声学装置
技术领域
本发明涉及声学技术领域，更为具体地说，涉及一种声学超表面及其设计方法和声学装置。
背景技术
声波是声源产生的振动在空气或其他介质中的传播。作为一种信息和能量的传播方式，其在工程技术领域和生产生活中均具有十分广泛的应用。比如：在医疗领域，通过精确控制超声波的场强分布，将能量聚焦到人体结石部位可以实现超声碎石；在军事领域，水下航行器通过特殊的声学表面可以吸收来自声呐的声波，达到隐身效果。可见，有效地控制声波的幅值、相位、传播方向和路径，以及声场的能量分布是实现一系列工程应用的技术基础。
声学超表面(Acoustic Metasurface)是近年来提出的一种声波调制新方法。该方法主要利用精心设计的微观结构实现反射或透射声波的相位控制，进而实现一系列传统声学表面所不具备的功能，如对平面声波的异常反射、负折射、聚焦、自弯曲等。目前，声学超表面设计中所采用的微观结构主要包括卷曲空间、亥姆霍兹共振腔和共振薄膜三种类型。但是现有的声学超表面结构复杂且加工困难，制备成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种声学超表面及其设计方法和声学装置，有效解决现有技术存在的技术问题，声学超表面结构简单且成本低。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种声学超表面，包括：
背腔结构，所述背腔结构包括底隔声板，及设置于所述底隔声板一侧表面上且围成多个腔体的侧壁隔声板；以及，覆盖于所述侧壁隔声板背离所述底隔声板一侧的多个盖板，所述盖板为穿孔板，且所述盖板与所述腔体一一对应形成单胞，所述单胞的反射系数不小于0.7；
多个所述单胞所形成的单胞阵列的排布方式，及每个所述单胞的参数是根据所述反射系数和相位差的空间分布确定；所述反射系数和所述相位差的空间分布是根据所述声学超表面的预期功能要求确定；其中所述相位差为所述单胞的入射声波和反射声波的相位差，所述单胞的参数至少包括所述盖板的孔隙率和/或所述盖板的板厚。
可选的，所述盖板与所述腔体形成的单胞的宽度不大于λ/3，λ为入射声波的波长。
可选的，所述多个腔体的形状和尺寸均相同。
可选的，所述盖板与所述背腔结构之间可拆卸固定。
可选的，所述盖板的材质为金属材料或非金属材料。
可选的，所述预期功能要求为调控声波的传播路径或声波沿传播路径的能量分布。
相应的，本发明还提供了一种声学超表面的设计方法，用于设计上述的声学超表面，包括：
建立不同参数的单胞的反射系数及其入射声波和反射声波之间的相位差的数据库；
基于待设计的声学超表面的预期功能要求，计算所述待设计的声学超表面的单胞阵列的排布方式，以及所述单胞阵列中每个单胞的相位差构成的相位差的空间分布，并控制单胞的反射系数满足工程要求；
根据计算结果在所述数据库中确定所述单胞阵列中每个单胞的参数，并依照计算得到的所述单胞阵列的排布方式排布得到声学超表面。
可选的，在所述数据库中确定所述声学超表面的单胞的参数后还包括：
对所述声学超表面进行功能验证。
相应的，本发明还提供了一种声学装置，所述声学装置包括上述的声学超表面。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
本发明提供了一种声学超表面及其设计方法和声学装置，声学超表面包括背腔结构，所述背腔结构包括底隔声板，及设置于所述底隔声板一侧表面上且围成多个腔体的侧壁隔声板；以及，覆盖于所述侧壁隔声板背离所述底隔声板一侧的多个盖板，所述盖板为穿孔板，且所述盖板与所述腔体一一对应形成单胞，所述单胞的反射系数不小于0.7；多个所述单胞所形成的单胞阵列的排布方式，及每个所述单胞的参数是根据所述反射系数和相位差的空间分布确定；所述反射系数和所述相位差的空间分布是根据所述声学超表面的预期功能要求确定；其中所述相位差为所述单胞的入射声波和反射声波的相位差，所述单胞的参数至少包括所述盖板的孔隙率和/或所述盖板的板厚。
由上述内容可知，本发明提供的声学超表面，根据其预期功能要求来设计确定每个单胞的反射系数及单胞的相位差构成的相位差的空间分布；且进一步根据该相位差的空间分布和反射系数，来确定单胞阵列的排布方式及每个单胞的参数，最终使得声学超表面符合预期功能要求，实现声学超表面对声波相位调制的目的。本发明提供的声学超表面结构简单且成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种声学超表面的结构示意图；
图2为图1中AA’方向的切面图；
图3为本发明实施例提供的一种声学超表面的设计方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的计算相位变化及反射系数的有限元模型(a)以及入射和反射波场(b-c)；
图5为本发明实施例提供的单胞随板厚T和孔隙率σ变化产生的相位变化(a)和反射系数(b)；
图6为本发明实施例提供的反射角为30°的异常反射的声学超表面的数值实验结果的示意图；
图7为本发明实施例提供的反射角为45°、60°的异常反射的声学超表面的数值实验结果的示意图；
图8为本发明实施例提供的正反射聚焦的声学超表面的数值实验结果的示意图；
图9为本发明实施例提供的任意点反射聚焦的声学超表面的数值实验结果的示意图；
图10为本发明实施例提供的自弯曲波束的声学超表面的数值实验结果的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
正如背景技术所述，声学超表面(Acoustic Metasurface)是近年来提出的一种声波调制新方法。该方法主要利用精心设计的微观结构实现反射或透射声波的相位控制，进而实现一系列传统声学表面所不具备的功能，如对平面声波的异常反射、负折射、聚焦、自弯曲等。目前，声学超表面设计中所采用的微观结构主要包括卷曲空间、亥姆霍兹共振腔和共振薄膜三种类型。但是现有的声学超表面结构复杂且加工困难，制备成本较高。
基于此，本发明提供了一种声学超表面及其设计方法和声学装置，有效解决现有技术存在的技术问题，声学超表面结构简单且成本低。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下，具体结合图1至图10对本发明提供的技术方案进行详细的描述。
结合图1和图2所示，图1为本发明实施例提供的一种声学超表面的结构示意图，图2为图1中AA’方向切面图，其中，本发明实施例提供的声学超表面包括：
背腔结构，所述背腔结构包括底隔声板110，及设置于所述底隔声板110一侧表面上且围成多个腔体130的侧壁隔声板120；以及，覆盖于所述侧壁隔声板120背离所述底隔声板110一侧的多个盖板200，所述盖板200为穿孔板，且所述盖板200与所述腔体130一一对应形成单胞，所述单胞的反射系数不小于0.7。
多个所述单胞所形成的单胞阵列的排布方式，及每个所述单胞的参数是根据所述反射系数和相位差的空间分布确定；所述反射系数和所述相位差的空间分布是根据所述声学超表面的预期功能要求确定；其中所述相位差为所述单胞的入射声波和反射声波的相位差，所述单胞的参数至少包括所述盖板200的孔隙率和/或所述盖板200的板厚。
可以理解的，本发明实施例提供的背腔结构和多个盖板组成立方体形结构的声学超表面。本发明提供的底隔声板和侧壁隔声板即为未打孔的板材结构，其为近乎完全反射声波的薄板，且本发明对其材质不做具体限定；通过底隔声板和侧壁隔声板形成多个亚波长尺寸的腔体；本发明提供的底隔声板和侧壁隔声板可以为一体结构，对此本发明不做具体限制。本发明提供的盖板与腔体一一对应，且覆盖在腔体侧方的侧壁隔声板上。本发明提供的盖板为穿孔板，穿孔板是一种在板面分布有大量贯穿板厚的孔洞的薄板，具有结构简单、易于制造、使用寿命长、环保等优点；通过数控冲床对裁剪好的薄板进行穿孔操作，可以简单且便捷地实现孔径在1mm左右，面积孔隙率在0.1％-10％之间，板材的厚度在1mm以下的穿孔板的加工和制备。可选的，本发明提供的盖板的材质可以为金属材料，使其具有防水、防火、耐高温等特性，可以应用于极端环境；此外，本发明提供的盖板材质还可以为非金属材料，对此本发明不做具体限制。及本发明对穿孔板的孔形状不做具体限制，对此需要根据实际应用进行具体设计。
由于声波是一种周期性振动，在声学超表面中设计具有不同参数的盖板与腔体形成的单胞所造成的入射声波和反射声波之间的相位差(下文描述简称为“相位差”)应该覆盖[0，2π](rad)范围。理论上，单胞所能实现的相位差受腔体的深度h、盖板的孔径a、盖板的板厚T、盖板的孔隙率σ等参数的影响。因而，声学超表面能够通过选择特定的背腔结构尺寸及具有不同参数的盖板，即能够实现预期功能要求。其中预期功能要求可以为在预设的声波工作频率范围内调控声波的传播路径或声波沿传播路径的能量分布的调控，具体如声学超表面能够使声波垂直入射到声学超表面后呈30度角反射、声学超表面能够使声波在特定位置实现反射聚焦、声学超表面能够使反射声波沿特定路径传播等。
相比盖板的孔径a和腔体的深度h，相位差的变化对参数盖板的孔隙率σ和盖板的板厚T的变化更为敏感，也更便于调制。因此可以通过对盖板的孔隙率σ和盖板的板厚T的组合设计来实现相位差及反射系数等技术指标的设计要求。可选的，本发明实施例提供的所述多个腔体的形状和尺寸均相同，进而仅仅需要对盖板的参数进行优化设计即可，使得在生产环节仅需要生产同一尺寸的背腔结构，便于工业生产，降低了生产难度和加工成本。
进一步的，本发明实施例提供的所述盖板位于所述侧壁隔声板背离所述底隔声板一侧，且所述盖板与所述背腔结构之间可拆卸固定，进而通过盖板与背腔结构之间可拆卸固定的方式，能够更换不同参数的盖板，提高了声学超表面的应用范围。
如图1所示，声学超表面可以由多个单胞在二维平面(x-y平面)上阵列排列而成，当平面声波入射到声学超表面上时，通过多个单胞形成的单胞阵列排布方式及设计各个单胞的参数来形成特定的相位差梯度，便可以得到具有相应声调控功能的声学超表面。沿相位差变化方向(如x方向)上单胞的宽度为d，垂直于相位差变化方向(y方向)单胞的长度可以视工况自行决定；其中，单胞的宽度d一般取亚波长尺度，单胞的宽度d的取值越小，相位离散的精度就越高，相位差梯度就越接近于连续，反射声场就与理论预测声场越接近；但单胞的宽度d的取值越小，声学超表面的制备成本和难度就越高。因此合理的选择单胞的宽度d尺度有利于在保持声学超表面的精度的同时控制成本，通过大量的数值实验验证，发现单胞的宽度d的取值不大于λ/3时，反射声场便与预测声场几乎一致。可选的，本发明实施例提供的所述盖板与所述腔体形成的单胞的宽度不大于λ/3，λ为入射声波的波长，宽度即入射声波和反射声波之间的相位差的变化方向上的数值。
为了保证反射声波的强度，声学超表面的单胞对声波的损耗应在工程可接受的范围内，其中，本申请实施例要求入射声波在正入射到单胞后，所述盖板与所述腔体形成的单胞的反射系数不小于0.7。
由上述内容可知，本发明实施例提供的声学超表面包括背腔结构，所述背腔结构包括底隔声板，及设置于所述底隔声板一侧表面上且围成多个腔体的侧壁隔声板，其中，所述多个腔体呈阵列排列；以及，覆盖于所述侧壁隔声板背离所述底隔声板一侧的多个盖板，所述盖板为穿孔板，且所述盖板与所述腔体一一对应形成单胞。本发明实施例提供的声学超表面在满足预期功能要求的基础上，该声学超表面结构简单且成本低。
相应的，本发明还提供了一种声学超表面的设计方法，参考图3所示，为本发明实施例提供的一种声学超表面的设计方法的流程图，其中，设计方法用于设计上述的声学超表面，包括：
S1、建立不同参数的单胞的反射系数及其入射声波和反射声波之间的相位差的数据库。
在本发明一实施例中，可以依照工况(如声学超表面铺装的许用空间尺寸，包括面积和厚度、结构自重、结构强度、防火、耐高温等特性)选定的盖板的材质、盖板的孔径a、腔体的深度h、单胞的宽度d等一系列参数条件，对具有不同盖板的孔隙率σ和盖板的板厚T的单胞进行数值实验，通过参数化扫描建立不同参数的单胞的相位差和反射系数的数据库。
S2、基于待设计的声学超表面的预期功能要求，计算所述待设计的声学超表面的单胞阵列的排布方式，以及所述单胞阵列中每个单胞的相位差构成的相位差的空间分布，并控制单胞的反射系数满足工程要求。
基于待设计的声学超表面的预期功能要求，通过理论计算得出所需单胞阵列的排布方式及相位差的空间分布。其中，由于相位差为单胞的入射声波和反射声波的相位差，相位差的空间分布是由单胞来实现的，故而相位差的空间分布即为单胞阵列的排布方式。同时，控制单胞的反射系数满足工程要求。
S3、根据计算结果在所述数据库中确定所述单胞阵列中每个单胞的参数，并依照计算得到的所述单胞阵列的排布方式排布得到声学超表面。
在本申请一实施例中，可以根据具体工程要求，如实现预期功能的精确程度、生产成本等，又如根据应用环境，将计算得到的相位差空间分布进行空间尺度的亚波长离散(即用相互之间空间距离远小于波长的离散数据代替连续的相位差空间分布)，并将其作为待设计的超表面的单胞技术指标。
而后根据得到的所需的每个单胞的相位差构成的相位差空间分布及每个单胞的反射系数，在数据库中搜寻满足条件的每个单胞的参数；其中，在盖板的材质、盖板的孔径a、腔体的深度h、单胞的宽度d等一系列参数固定时，可以仅仅确定盖板的孔隙率σ和盖板的板厚T参数即可，而后将每个单胞按照单胞阵列的排布方式进行排布，进而得到声学超表面。
进一步如图3所示，本发明实施例提供的设计方法中，在所述数据库中确定所述声学超表面的单胞的参数后还包括：
S4、对所述声学超表面进行功能验证。
在本申请一实施例中，对声学超表面进行验证可以利用数据实验来对整体设计方法进行验证，验证其是否符合预期功能要求。
下面结合图4-图10对本发明提供的几种具体声学超表面进行详细描述。其中，下面描述以入射声波的工作频率为1kHz、空气中波速为343m/s，即波长λ为0.343m、穿孔板的孔径a为1.4mm、腔体深度h为3cm为例进行说明。单胞如图1所示从左到右排列，且单胞由底隔声板、侧壁隔声板和盖板构成，利用侧壁隔声板围成长方体状的多个腔体，并在其背腔结构上覆盖由穿孔板制作成的盖板。本发明提供的入射声波是正入射的平面声波，声学超表面设计基于广义斯涅尔定律，即：
其中，ni是介质的折射率，θi是声波的入射角，θr是声波的反射角，λ是入射声波的波长，φ(x)是反射声波和入射声波之间的相位差。在空气中，其折射率ni为1，本发明以正入射为例，即θi为0，则式(2)可以简化为：
进而声学超表面的设计流程结合图3所示，首先进行数值实验得到单胞的相位变化及反射系数的数据库，而后通过式(2)求得各单胞的相位变化参数，再由数值实验得到的数据库确定各单胞的参数，将单胞进行排布并进行数值实验验证，便可以设计出工程上所需要的声学超表面。
计算单胞相位变化及反射系数的数值实验平台如图4(a)所示，向穿孔板打一束正入射的入射声波，这样便会有一束正反射的反射声波，如图4(b)、(c)所示，在A点分别求入射声波和反射声波的相位，取其差值便可求得相位差φ，其中，A点距穿孔板的距离为λ/2。基于以上参数，随着盖板的孔隙率σ和盖板的板厚T的变化，可以得到如图5(a)所示的相位变化和图5(b)所示的反射系数图。由图5(a)可以看到单胞所能调控的相位变化范围为[0.02π,1.62π]，在实际应用的过程中部分单胞的参数取值采用了近似方法。为了尽可能的接近理论上应当达到相位变化的数值，当由式(2)求得的相位变化在[1.62π,1.82π]内时将其近似为1.62π，及求得的相位范围在[0,0.02π]时将其近似为0.02π。由于在设计过程中做了部分近似，数值实验结果与理想反射声场相比会存在一定误差，但可控制在工程可接受范围之内。由图5(b)可以看到单胞的反射系数取值范围为[0.7,1]，而一般设计声学超表面时要求各单胞的反射系数均大于0.7，因此单胞满足设计超表面的要求。
本发明实施例提供的声学超表面可以为异常反射声学超表面。在设计异常反射声学超表面时，异常反射声学超表面由超胞(即在相位差变化方向上由数个不同结构尺寸的单胞构成的结构组合)阵列而成时，超胞的宽度D为入射声波波长与反射角正弦值的比值，当确定入射声波的工作频率以后，入射声波的的波长确定，则超胞的宽度D的大小取决于反射角的值。且此时异常反射声学超表面由超胞阵列而成，超胞的宽度D为单胞的宽度d的整数倍，即d＝D/n(n为正整数)，取适当的n能够使得单胞的宽度d有合理的大小。
具体在本发明一实施例中，通常情况下垂直入射到一个表面上的声波，会被表面沿入射方向的反方向反射。而所谓的异常反射超表面，能够通过相位调制，将正入射的声波反射到所设计的方向。由于声波的相位在[0,2π]之间周期性变化，所以在异常反射的声学超表面中，相位是是周期性变化的，因此单胞的排布也是周期性的，每个周期内的单胞形成一个超胞，可以求出每个超胞内相位差变化为：
将式(3)带入式(2)，有：
在本本发明实施例中，本发明提供的是将正入射波以30°反射角异常反射的声学超表面，即θr＝30°。已知入射声波的波长λ为0.343m，由式(4)可以求得超胞的宽度D＝0.686m，使每个超胞由8个单胞组成，则单胞的宽度为0.08575m，定义单胞的号码从左到右分别表示为Mi，其中i是1-8之间的整数。在一个周期内相位差变化为2π，结合图5所示的数据库，相位变化离散化后分配到每个单胞的相位变化及穿孔板参数如表1所示：
表1
在这里，M7号单胞相位变化应为1.75π，我们将其近似为了1.62π；M8号单胞相位变化应为2π，我们将其近似为0.02π。最后本发明对所设计声学超表面的声响应特性进行了数值实验验证，结果图6所示。其中，图6(a)表示反射声场，箭头方向表示反射声波的传播方向；图6(b)表示总声强。对比可见，数值实验得到的反射角与理论预期的反射角完全相同，验证了设计的正确性，同时也证明了将相位变化近似并不影响此类声学超表面的功能要求。
进一步的，本发明还对其他反射角的异常反射声学超表面进行设计，其中同样使用8个单胞构成一个超胞，因此除了超胞的宽度D和单胞的d外，其余参数与本发明上述实施例提供的30°反射角异常反射的声学超表面的参数相同。其中，本发明实施例分别取反射角45°和60°为例，已知波长λ为0.343m，通过式(4)可算得在正入射的情况下，反射角为45°时超胞的宽度D为0.485m，单胞的宽度d为0.0606m；反射角为60°时超胞的宽度D为0.396m，单胞的宽度d为0.0495m。同样的，本发明对45°和60°的异常反射声学超表面进行了数值实验验证，具体结果如图7所示。其中图7(a)、图7(b)是反射角分别为45°、60°时的数值模拟结果，而(ⅰ)、(ⅱ)分别为反射声场和总声强。可以看出本发明设计的声学超表面的数值实验结果可以与预期结果完美对应。
本发明实施例提供的声学超表面还可以为反射聚焦声学超表面，具体可以为实现正反射聚焦的功能。在(0,y0)处正反射聚焦的相位分布表达式为：
在本发明实施例中，以在(0,4λ)处正反射聚焦为例。本发明选取30个单胞，每个单胞的宽度d都是0.1m，单胞的号码从左到右依次为Mi，其中i是1-30之间的整数。已知波长λ为0.343m，通过式(5)可以计算出每个单胞的相位差，并通过图5所示的数据库分别找出各单胞中穿孔板的参数，具体参数如表2所示：
表2
需要注意的是，我们计算每个单胞的相位变化时，均选取单胞中点的坐标来计算。在本实施例中，对M1、M6、M16以及M26号单胞的相位差进行了近似。本发明对所设计的正反射聚焦超表面进行了数值实验验证，结果如图8所示，其中，图8(a)为反射声场；图8(b),图8(e)分别为总声强与反射声强；图8(c),图8(d)分别为过焦点的横向与纵向截线上的总声强；图8(f)为过焦点的横向与纵向截线上的散射声强。可以看到数值实验结果十分精确的吻合了本发明设计时预期的结果。
本发明实施例提供的声学超表面还可以为反射聚焦声学超表面，具体可以实现任意点处聚焦的功能。在(x0,y0)处反射聚焦的相位变化分布公式为：
本发明实施例以在(0.5,4λ)处聚焦为例，我们选取30个单胞，每个单胞的宽度d都是0.1m，单胞的号码从左到右依次为Mi，其中i是1-30之间的整数。已知波长λ为0.343m，通过式(6)可以计算出每个单胞的相位差，并通过图5所示的数据库分别找出各单胞中穿孔板的参数，具体参数如表3所示：
表3
需要注意的是，我们计算每个单胞的相位变化时，均选取单胞中点的坐标来计算。同样的，本实施例的M2、M6、M11以及M21号单胞的相位差进行了近似。本发明对所设计的任意点反射聚焦超表面进行了数值实验验证，结果如图9所示，其中，图9(a)为反射声场；图9(b),图9(e)分别为总声强与反射声强；图9(c),图9(d)分别为过焦点的横向与纵向截线上的总声强；图9(f)为过焦点的横向与纵向截线上的散射声强。数值实验结果完美吻合了本发明设计时预期的结果。
本发明实施例提供的声学超表面还可以为自弯曲波束的声学超表面。为了使反射波绕半径为r的半圆传播，超表面的相位差空间分布表达式需满足：
在本发明实施例中，以反射声波绕半径为1m的半圆传播为例。我们选取30个单胞，每个单胞的宽度d都是0.1m，单胞的号码从左到右依次为Mi，其中i是1-30之间的整数。已知波长λ为0.343m，通过式(7)可以计算出每个单胞的相位差，并通过图5所示的数据库分别找出各单胞中穿孔板的参数，具体参数如表4所示：
表4
需要注意的是，我们计算每个单胞的相位变化时，均选取单胞中点的坐标来计算。在本实施例中，M5、M18、M24以及M29号单胞的相位差进行了近似。本发明对所设计的任意点反射聚焦超表面进行了数值实验验证，结果如图10所示，其中，图10(a)为反射声场；图10(b)为反射声强；图10(c)为总声强。数值实验结果与本发明设计时预期的结果十分吻合。
相应的，本发明还提供了一种声学装置，所述声学装置包括上述任意一实施例提供的声学超表面。
本发明提供了一种声学超表面及其设计方法和声学装置，声学超表面包括背腔结构，所述背腔结构包括底隔声板，及设置于所述底隔声板一侧表面上且围成多个腔体的侧壁隔声板；以及，覆盖于所述侧壁隔声板背离所述底隔声板一侧的多个盖板，所述盖板为穿孔板，且所述盖板与所述腔体一一对应形成单胞，所述单胞的反射系数不小于0.7；多个所述单胞所形成的单胞阵列的排布方式，及每个所述单胞的参数是根据所述反射系数和相位差的空间分布确定；所述反射系数和所述相位差的空间分布是根据所述声学超表面的预期功能要求确定；其中所述相位差为所述单胞的入射声波和反射声波的相位差，所述单胞的参数至少包括所述盖板的孔隙率和/或所述盖板的板厚。
由上述内容可知，本发明提供的声学超表面，根据其预期功能要求来设计确定每个单胞的反射系数及单胞的相位差构成的相位差的空间分布；且进一步根据该相位差的空间分布和反射系数，来确定单胞阵列的排布方式及每个单胞的参数，最终使得声学超表面符合预期功能要求，实现声学超表面对声波相位调制的目的。本发明提供的声学超表面结构简单且成本低。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种声学超表面，其特征在于，包括：
背腔结构，所述背腔结构包括底隔声板，及设置于所述底隔声板一侧表面上且围成多个长方体状的腔体的侧壁隔声板；以及，覆盖于所述侧壁隔声板背离所述底隔声板一侧的多个盖板，所述盖板为穿孔板，且所述盖板与所述腔体一一对应形成单胞，所述单胞的反射系数不小于0.7；其中，所述穿孔板是一种在板面分布有多个贯穿板厚的孔洞的板材，面积孔隙率在0.1％-10％之间；
多个所述单胞所形成的单胞阵列的排布方式，及每个所述单胞的参数是根据所述反射系数和相位差的空间分布确定；所述反射系数和所述相位差的空间分布是根据所述声学超表面的预期功能要求确定；其中所述相位差为所述单胞的入射声波和反射声波的相位差，所述单胞的参数至少包括所述盖板的孔隙率和/或所述盖板的板厚。
2.根据权利要求1所述的声学超表面，其特征在于，所述盖板与所述腔体形成的单胞的宽度不大于λ/3，λ为入射声波的波长。
3.根据权利要求1所述的声学超表面，其特征在于，所述多个腔体的形状和尺寸均相同。
4.根据权利要求1所述的声学超表面，其特征在于，所述盖板与所述背腔结构之间可拆卸固定。
5.根据权利要求1所述的声学超表面，其特征在于，所述盖板的材质为金属材料或非金属材料。
6.根据权利要求1所述的声学超表面，其特征在于，所述预期功能要求为调控声波的传播路径或声波沿传播路径的能量分布。
7.一种声学超表面的设计方法，其特征在于，用于设计权利要求1-6任意一项所述的声学超表面，包括：
建立不同参数的单胞的反射系数及其入射声波和反射声波之间的相位差的数据库；
基于待设计的声学超表面的预期功能要求，计算所述待设计的声学超表面的单胞阵列的排布方式，以及所述单胞阵列中每个单胞的相位差构成的相位差的空间分布，并控制单胞的反射系数满足工程要求；
根据计算结果在所述数据库中确定所述单胞阵列中每个单胞的参数，并依照计算得到的所述单胞阵列的排布方式排布得到声学超表面。
8.根据权利要求7所述的声学超表面的设计方法，其特征在于，在所述数据库中确定所述声学超表面的单胞的参数后还包括：
对所述声学超表面进行功能验证。
9.一种声学装置，其特征在于，所述声学装置包括权利要求1-6任意一项所述的声学超表面。
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