一种用于增强水-空气界面声透射的超表面的制作方法

1.本发明属于声学的技术领域，具体涉及一种用于增强水-空气界面声透射的超表面的制作方法。


背景技术：

2.海洋约占地球表面面积的70％左右，海空通信则可有效地在空中和海水之间进行信息传递，在海洋网络开发，海上应急通信等方面发挥着重要作用。然而，与陆地空间通信不同的是，海空通信需要跨海洋—空气界面，涉及到水和空气两种传播介质，电磁波在海水中传播时场强会呈指数规律衰减，光在海水中传播时会发生严重的散射，而声波作为一种机械波，在海水中的衰减小得多，可得到从几百米延伸至几十公里的通信距离。因而，声波将是连接海洋、大气和陆地三者之间一种最为有效的媒介。
3.然而，由于水和空气的特征声阻抗相差3600多倍，当声波入射到水-空气界面时，绝大部分的声波将会被反射，只有约0.1％的声波能量可以透射传输，这将极大地限制了声波在水-空气界面处的传播效率。
4.面对声阻抗比相差较大的跨介质传输问题，运用声学理论中传统四分之一波长匹配层理论，则需要寻找一种特征声阻抗约为空气声阻抗60倍的均质材料，显然很难在自然界中找到这类天然材料，目前被证明为较为有效的方法是通过水下气泡共振的方式，但为了使得设计的结构内部能够锁住气泡，需要对结构进行进一步的疏水化学处理，增加了额外的制作工序、制作时间和制造成本。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种用于增强水-空气界面声透射的超表面的制作方法，采用拓扑优化方式逆向设计了声学超表面，能够将设计的声学超表面放置在水-空气界面之间，实现声波在水与空气界面处双向的高效透射。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种用于增强水-空气界面声透射的超表面的制作方法，包括：
8.步骤一、预设声波在水到空气界面处高效透射的声波频率f；
9.步骤二、根据λ＝c/f，计算该声波频率f下声波波长λ，其中，c为声波在空气中的传播速度；
10.步骤三、根据声波波长λ确定声学超表面单元结构的尺寸，其中，声学超表面单元结构外形为矩形，矩形的宽度为a，高度为b，可取a＝λ/8，b＝λ/20；
11.步骤四、采用拓扑优化方式，将声学超表面单元结构划分为若干个像素点，以声波在水到空气界面处的透射效率为优化目标，通过对划分的每个像素点赋予不同的材料参数，然后计算单个声学超表面单元在周期边界条件下声波从水到空气的透射率；
12.步骤五、循环执行步骤四，调整声学超表面单元结构中若干个像素点的材料参数分布，逐步迭代，使得计算得到的声波从水到空气的透射率接近为100％，从而获得最佳的
材料参数分布，所获得的最佳的材料参数分布即为声学超表面单元结构。
13.优选的，所述步骤四中，所述拓扑优化方式为结构逆向设计方式，采用基于改进的遗传算法进行结构优化，同时采用并行计算方式。
14.优选的，所述步骤四中，所述材料参数包括固体材料和气体材料，所述固定材料为环氧树脂，所述气体材料为空气。
15.优选的，所述步骤四中，在对单个声学超表面单元结构优化过程中，采用上下对称、左右对称进行约束设置。
16.优选的，在所述步骤五中，将最终获得的声学超表面单元结构进行周期排列，平铺在水-空气界面处。
17.优选的，在所述步骤五中，将最终获得的声学超表面单元结构整体尺寸与对应声波波长按照同一比例进行缩放，调节声波高效透射的频率，满足声学超表面尺寸与高效透射波长间的尺度变化规律。
18.优选的，在所述步骤五中，所述材料参数分布中，固体材料对应的声学超表面单元结构在拓扑优化过程中为弹性体。
19.优选的，所述步骤五中，所述声学超表面单元结构包括至少一种固体材料。
20.本发明的有益效果在于，本发明以声波在水-空气界面处的透射效率为优化目标，采用拓扑优化方式逆向设计了声学超表面，该声学超表面由周期性排列的声学超表面单元组成，该声学超表面单元由特定形状的固体框架组成。将设计的声学超表面放置在水-空气界面之间，可实现声波在水与空气界面处双向的高效透射，透射效率接近100％；同时对于不同的入射场，如高斯平面波束和柱面波束，也能实现较高的透射率；此外，设计的声学超表面的厚度仅为对应频率下空气声波长的1/20，并且通过等比例缩放结构尺寸，可在调节声波在水-空气界面处高效透射的频率。本发明的声学超表面设计制作方法，设计方式简单，可直接采用3d打印方式制作，无需化学工艺等其他方式进行后续加工处理，简化了设计流程和制作方式，在面向海空通信、海上应急救援、海洋网络开发等工程领域具有重要的应用价值。
附图说明
21.下面将参考附图来描述本发明示例性实施方式的特征、优点和技术效果。
22.图1为本发明的增强水-空气界面声波透射的声学超表面结构设计的原理示意图。
23.图2为本发明实施一的声波在水-空气界面处双向高效透射的效果图和声学超表面单元固体结构的振动模态。
24.图3为本发明实施一的声学超表面的结构示意图和在不同入射声场条件下的高效透射效果图。
25.图4为本发明实施二的声波在水-空气界面处双向高效透射的效果图和声学超表面单元固体结构的振动模态。
26.图5为本发明实施二的声学超表面的结构示意图和在不同入射声场条件下的高效透射效果图。
27.图6为本发明实施三的声波在水-空气界面处双向高效透射的效果图和声学超表面单元固体结构的振动模态。
28.图7为本发明实施三的声学超表面的结构示意图和在不同入射声场条件下的高效透射效果图。
29.其中，附图标记说明如下：
30.1-水；
31.2-声学超表面；
32.3-空气；
33.21-第一类声学超表面单元结构；
34.22-第二类声学超表面单元结构；
35.23-第三类声学超表面单元结构。
具体实施方式
36.如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。
37.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
38.在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.以下结合附图1～7对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
40.用于增强水-空气界面声透射的超表面的制作方法，包括：
41.步骤一、预设声波在水1到空气界面处高效透射的声波频率f；
42.步骤二、根据λ＝c/f，计算该声波频率f下声波波长λ，其中，c为声波在空气中的传播速度；
43.步骤三、根据声波波长λ确定声学超表面单元结构的尺寸，其中，声学超表面单元结构外形为矩形，矩形的宽度为a，高度为b，可取a＝λ/8，b＝λ/20；
44.步骤四、采用拓扑优化方式，将声学超表面单元结构划分为若干个像素点，以声波在水1到空气界面处的透射效率为优化目标，通过对划分的每个像素点赋予不同的材料参数，然后计算单个声学超表面单元在周期边界条件下声波从水1到空气的透射率；
45.步骤五、循环执行步骤四，调整声学超表面单元结构中若干个像素点的材料参数分布，逐步迭代，使得计算得到的声波从水1到空气的透射率接近为100％，从而获得最佳的材料参数分布，所获得的最佳的材料参数分布即为声学超表面单元结构。
46.在根据本发明的用于增强水-空气界面声透射的超表面的制作方法中，步骤四中，拓扑优化方式为结构逆向设计方式，采用基于改进的遗传算法进行结构优化，同时采用并
行计算方式，提高优化计算效率。
47.在根据本发明的用于增强水-空气界面声透射的超表面的制作方法中，步骤四中，材料参数包括固体材料和气体材料，固定材料为环氧树脂，气体材料为空气，则对应固体材料参数部分即为声学超表面单元结构的形状，但不限于上述两种材料参数的选择，也可以选择其他多种材料参数进行拓扑优化设计。
48.在根据本发明的用于增强水-空气界面声透射的超表面的制作方法中，步骤四中，在对单个声学超表面单元结构优化过程中，采用上下对称、左右对称进行约束设置，保证所获得的声学超表面单元结构的连续性，便于加工制作，但不限于上述约束设置。
49.在根据本发明的用于增强水-空气界面声透射的超表面的制作方法中，在步骤五中，将最终获得的声学超表面单元结构进行周期排列，平铺在水-空气界面处，即可实现声波从水到空气，以及声波从空气到水的双向高透射。
50.在根据本发明的用于增强水-空气界面声透射的超表面的制作方法中，在步骤五中，将最终获得的声学超表面单元结构整体尺寸与对应声波波长按照同一比例进行缩放，调节声波高效透射的频率，满足声学超表面2尺寸与高效透射波长间的尺度变化规律。
51.在根据本发明的用于增强水-空气界面声透射的超表面的制作方法中，在步骤五中，材料参数分布中，固体材料对应的声学超表面单元结构在拓扑优化过程中为弹性体，同时需要考虑声与结构的相互作用，声学超表面2中固体结构的振动在实现声波在水—空气界面处的增强透射中起着重要作用。
52.在根据本发明的用于增强水-空气界面声透射的超表面的制作方法中，步骤五中，声学超表面单元结构包括至少一种固体材料，即最后得到的声学超表面单元结构可简化为一个固体框架，所述的固体框架无需增加疏水化学处理等其他制作工序，直接由3d打印技术制作成型即可使用。
53.实施例1
54.在本实施例1中，设定高效透射的声波频率f＝1715hz，计算得到该声波频率f下声波波长λ＝0.2m，其中，第一类声学超表面单元结构21的宽度a和高度b分别取为a＝λ/8，b＝λ/20，在宽度方向划分50个像素点，高度方向划分为20个像素点，总共1000个像素点，运用拓扑优化程序，通过对这1000个像素点的材料参数分布进行优化。
55.在本实施例1的优化过程中，将声学超表面单元结构的上、下、左、右的四个边界设置为固体材料参数，同时施加结构左右对称和上下对称的约束，最终得到的第一类声学超表面单元结构21，实现声波在水—空气界面处双向高效透射的效果图和固体结构的振动模态，如图2所示，可以得到，声波不论是从水1向空气3中入射，还是从空气3向水1中入射，声波基本实现了完全透射，透射效率接近100％，说明了设计的声学超表面结构2能够显著增强声波在水1—空气3界面处的透射强度。进一步地，从第一类声学超表面单元结构21的振动模态可以得到，第一类声学超表面单元结构21在增强声波在水1—空气3界面处的双向透射中起着重要作用。
56.图3给出了由第一类声学超表面单元结构21周期排列组成的声学超表面2的结构示意图以及在不同入射声场条件下的高效透射效果图，可以看到对于不同的入射声场，如周期条件下的平面声源，或者是高斯平面波束，或者是柱面波束，声学超表面2均能实现声波从水1向空气3的高效透射，证明了本发明的增强水1—空气3界面声波透射的声学超表面
结构2设计方法的可行性。
57.实施例2
58.在实施例2中，设定高效透射的声波频率f＝1715hz，计算得到该声波频率f下声波波长λ＝0.2m，其中第二类声学超表面单元结构22的宽度a和高度b分别取为a＝λ/8，b＝λ/20，在宽度方向划分50个像素点，高度方向划分为20个像素点，总共1000个像素点，运用拓扑优化程序，通过对这1000个像素点的材料参数分布进行优化。
59.在本实施例2的优化过程中，将声学超表面单元结构的上、下、左、右的四个边界设置为固体材料参数，只施加结构左右对称约束，最终得到的第二类声学超表面单元结构22，实现声波在水—空气界面处双向高效透射的效果图和固体结构的振动模态，如图4所示，可以得到，声学超表面结构2也能够显著增强声波在水1—空气3界面处的透射强度。图5给出了由第二类声学超表面单元结构22周期排列组成的声学超表面2的结构示意图以及在不同入射声场条件下的高效透射效果图，可以看到对于不同的入射声场，如周期条件下的平面声源，或者是高斯平面波束，或者是柱面波束，声学超表面2也能实现声波从水1向空气3的高效透射，再次证明了本发明的设计制作方法的可行性。
60.实施例3
61.在实施例3中，设定高效透射的声波频率f＝1715hz，计算得到该声波频率f下声波波长λ＝0.2m，其中第三类声学超表面单元结构23的宽度a和高度b分别取为a＝λ/8，b＝λ/20，在宽度方向划分50个像素点，高度方向划分为20个像素点，总共1000个像素点，运用拓扑优化程序，通过对这1000个像素点的材料参数分布进行优化。
62.在本实施例3的优化过程中，将声学超表面单元结构的上边界设置为空气材料参数，将结构的下、左、右的三个边界设置为固体材料参数，只施加结构左右对称约束，最终得到的第三类声学超表面单元结构23，实现声波在水—空气界面处双向高效透射的效果图和固体结构的振动模态，如图6所示，可以得到，声学超表面结构2也能够显著增强声波在水1—空气3界面处的透射强度。图7给出了由第三类声学超表面单元结构23周期排列组成的声学超表面2的结构示意图以及在不同入射声场条件下的高效透射效果图，可以看到对于不同的入射声场，声学超表面3也能实现声波从水1向空气3的高效透射，进一步证明了本发明的设计制作方法的可行性。
63.进一步地，将所获得的第一类声学超表面单元结构21、第二类声学超表面单元结构22或第三类声学超表面单元结构23的整体尺寸与对应声波波长λ按照同一比例进行缩放，可实现声波高效透射的频率f进行调节，所实现高效透射的频率f＝c/λ，其中c为声波在空气中的传播速度，λ为放缩后的声波波长，满足声学超表面尺寸与高效透射波长间的尺度变化规律，说明了本发明的设计制作方法的灵活性。
64.此外，可以看到本发明所设计的声学超表面结构2只由一种固体材料组成，只需要通过3d打印技术制作即可，无需增加疏水化学处理等其他制作工序，表明了本发明的制作方法的实用性和便捷性。
65.综上，本发明的用于增强水—空气界面声波透射的声学超表面设计制作方法。本发明以声波在水—空气界面处的透射效率为优化目标，采用拓扑优化方式逆向设计了声学超表面结构，该声学超表面由周期性排列的声学超表面单元结构组成，该声学超表面单元结构由固体框架和空气孔组成。将设计的声学超表面放置在水—空气界面之间，可实现声
波在水与空气界面处双向的高效透射，透射效率接近100％；同时对于不同的入射场，如高斯平面声源和点声源，也能实现较高的透射率；此外设计的声学超表面的厚度仅为对应频率下空气声波长的1/20，并且通过等比例放缩结构尺寸，在不同频率处均能实现声波在水—空气界面处的高效透射。本发明的设计制作方法，设计方式简单，可直接采用3d打印方式制作，无需任何化学工艺等其他方式进行后处理，简化设计流程和制作方式，在海空通信等工程领域具有重要的应用价值。
66.根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。