一种超疏水声学透射超表面结构及其制作方法和应用与流程

本发明涉及声学材料技术领域，特别涉及一种超疏水声学透射超表面结构及其制作方法和应用。

背景技术：

电磁波和声波都可以在空气中传播来实现信息传递和交流。然而，由于电磁波在水中快速衰减，水中的通讯一般只能借助声波来进行。因此，声波是一种可以在水和空气中通用的通信手段。然而，当声波穿越水气界面时，却只有约0.1％的声波能量能够穿过水气界面。这使声波在水气间的跨介质传输成为巨大的挑战。随着人们对海洋资源的不断开发，人类水下活动也变得越来越频繁。增加水下和水上的声学信息交流具有十分重要的意义。

声学超材料因可以灵活地调控声波而得到了广泛的研究。然而，由于水和空气界面的不稳定性，目前还没有增强声波在水气间透射的实用方法，特别是在10khz-100khz的水下声呐工作的频率波段。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超疏水声学透射超表面结构及其制作方法和应用，以增强1-200khz频率声波在水和空气之间的传播，为水下和水上的声学信息交流提供了有效解决方案。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超疏水声学透射超表面结构，是将表面具有微纳结构和超疏水结构的固体板扣于水面，使得固体板与水面之间形成空气层而得。所述超疏水指其表面水的接触角大于150°。

前述超疏水声学透射超表面结构中，所述固体板的材料为无机非金属材料、金属材料、有机高分子材料中的一种；所述无机非金属材料为硅片或石英片；所述金属材料为铁片、铜片或铝片；所述有机高分子材料为pvc、聚四氟乙烯、聚硅氧烷片、橡胶、pdms膜、pet膜、pmms膜或pu膜。

如上所述超疏水声学透射超表面结构的制作方法，包括以下步骤：

(1)制备表面具有微纳结构和超疏水结构的固体板；

(2)将带有微纳结构和超疏水结构的一面扣在水面上，使固体板和水面间形成一层空气层，即可。

前述超疏水声学透射超表面结构的制作方法中，在固体板上加工制作微纳结构的方法为化学腐蚀光刻、激光蚀刻、软刻蚀、喷涂纳米材料、真空沉积法或增材制造工艺；所述增材制造工艺优选为3d打印。

前述超疏水声学透射超表面结构的制作方法中，形成超疏水结构的方法为在固体板表面修饰低表面能的物质；所述低表面能的物质优选为氟硅烷。

以上所述超疏水声学透射超表面结构在声呐成像、通讯及传感方面的应用，用于增强1-200khz频率声波在水气界面间的传输；所述通讯为水下物体与水上物体之间的声学通讯。

超疏水声学透射超表面结构的工作频率通常在1khz至200khz之间，此工作频率对应的波长约为固体板厚度的千分之一，该频率等于以固体板为质量、以气体层为弹簧的弹簧振子的共振频率。

本发明所述超疏水声学透射超表面结构的工作原理是以气体层为弹簧、以固体板为质量的弹簧振子的共振传声作用。所述超表面结构对1-200khz频率的增强透射效果是指在某一频率其能量透过率明显超过临近其他频率，通常多出10％。

与现有技术相比，本发明提供的超疏水声学透射超表面结构可有效增强1-200khz频率声波在水和空气之间的传播，因而可将其应用于声呐成像、通讯及传感方面，特别是用于水下物体(如水下机器人、潜艇、黑匣子等)与水上物体(飞机等)之间的声学通讯，为水下和水上的声学信息交流提供了有效解决方案。具体地说，应用本发明超疏水声学透射超表面结构，声波可以有效地透过空气和水的界面，且斜入射时依然有明显的透射增强效果，从而可实现空气中对水下物体的探测应用，可以实现在空气中接收黑匣子信号的设想等等。

附图说明

图1是本发明实施例1制得的超疏水声学透射超表面结构示意图；

图2是本发明实施例1在铝板表面制得的微纳结构电镜图；

图3是本发明实施例1制得的超疏水微纳结构在水面形成的空气层显微放大图；

图4是本发明实施例2制得的超疏水声学透射超表面的声学性质；

图5是本发明实施例3中超疏水声学透射超表面结构与无声学透射超表面时的声学透射效果模拟对比图，其中左图是空气和水，右图是超疏水声学透射超表面结构的透射效果。

图中标号分别为：1-空气；2-固体板；3-固体板表面的超疏水微纳结构；4-水。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

下述实施例中，使用的光学或荧光显微镜由尼康公司生产，型号为lv100nd。模拟计算软件为comsolmultiphysics。

实施例1：超疏水声学透射超表面结构的制作方法为：

将厚度约为300μm的铝片切成所需尺寸的小板，用紫外线(uv)激光(lm-uvh3-s)蚀刻板，以在表面上构造微纳结构。激光的线性扫描速度固定为300mm/s，并且将脉冲宽度控制在6μs。蚀刻后，依次用水、乙醇和丙酮洗涤铝板，再将铝板用氮气吹干。然后在氧气等离子仪器中以150w的功率处理300s，使其表面超亲水。之后放到真空干燥器中，在铝片任一侧边处平放一玻璃片，在玻璃片上使用滴管滴加一滴1h,1h,2h,2h-全氟癸基三甲氧基硅烷，然后密封，抽真空15分钟。再放置到90℃烘箱中加热2h，即得超疏水的微纳结构界面，其电镜图如图2所示。把具有此结构(超疏水和微纳结构)的铝板表面朝下扣在水面上，得到的空气层如图3所示(白色虚线内部)，即得超疏水声学透射超表面结构。

超疏水声学透射超表面结构在水下物体探测方面的应用：

将一个水下的物体放在此超表面结构的下面，利用空气中的超声波扫描仪透过此超表面对水下的物体进行探测。声波透过此超表面，在水下物体表面进行反射，然后被接收，可实现空气中对水下物体的探测应用。

实施例2：超疏水声学透射超表面结构的制作方法为：

将不同厚度的铝板切成小板。然后用beck蚀刻剂[40mlhcl(37wt.％)，2.5mlhf(40wt.％)和12.5mlh2o]化学腐蚀光刻铝板10秒钟。蚀刻后分别用去离子水和乙醇洗涤三次。用氮气吹干并进行等离子体处理后，将板用1h，1h，2h，2h-全氟癸基三乙氧基硅烷在80℃下氟化2小时。把制备的具有微纳结构的超疏水铝板放在水面上，即得超疏水声学透射超表面结构。此方法制备的气层厚度约为20μm。

超疏水声学透射超表面结构在增强声波透射方面的应用：

有限元模拟显示，在气层厚度为20μm的情形下，通过改变铝板的厚度，可以实现不同透过频率的调控(参见图4)。因此，通过使用不同厚度的铝片，即可实现不同频率声波的透射。通过使用水下声源模拟黑匣子装置，发现此超疏水声学透射超表面可以提高黑匣子穿越水气界面的声波强度，从而可以实现在空气中接收黑匣子信号的设想。

实施例3：超疏水声学透射超表面结构的制作方法为：

用市售的超疏水喷雾剂(glaco)(含有纳米材料)将pvc塑料板喷雾涂覆两次。用氮气吹干后，pvc塑料板即变得超疏水，且产生了微纳结构。此方法制备的气层平均厚度一般在10μm以下。把此结构pvc塑料板放在水面上，即可制得超疏水声学透射超表面。

超疏水声学透射超表面结构的性能：

有限元模拟显示(参见图5)，无此超疏水声学透射超表面时，声波极少能透过空气和水的界面；有此超疏水声学透射超表面时，声波可以有效地透过空气和水的界面，而且，在斜入射时依然有明显的透射增强效果。

实施例4：软刻蚀法制作超疏水声学透射超表面结构及其声学透射应用：

将30g的pdms单体和3gpdms单体的引发剂搅拌混合，使用离心机以4000r/min去除内部气泡。然后缓慢浇到荷叶表面，使之流平。在70℃下加热2h固化，揭开后即可得到表面具有微纳结构的超疏水pdms。把具有微纳结构和超疏水结构的一面扣在水面上，即可形成超疏水声学透射超表面，此超表面可以增强声波在水和空气间的传播。将一个水下的物体放在此超表面结构的下面，利用空气中的超声波扫描仪透过此超表面对水下的物体进行探测。声波透过此超表面，在水下物体表面进行反射，然后被接收，可实现空气中对水下物体的探测应用。

实施例5：真空沉积法制作超疏水声学透射超表面结构及其声学通讯应用

把平整的厚为0.5mm的玻璃板在氧气等离子仪中以100w的功率处理150s做亲水和清洁处理。然后使用真空蒸镀仪以250w的功率，沉寂铝单质500s，再把蒸镀好的表面浸没入70℃的热水中，使之反应10min，即可在表面形成铝的微纳米结构。将板用1h，1h，2h，2h-全氟癸基三乙氧基硅烷在80℃下氟化2小时。把制得的具有微纳结构的超疏水铝板放在水面上，即得超疏水声学透射超表面结构。此结构可以用于增强水下与水上物体之间的声学通讯。

以上为本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均在本发明的保护范围之内。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再逐一详细说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视为本发明所公开的内容。