[发明专利]一种基于CMA-ES优化算法设计声学超材料单元的方法

权利要求书

1.一种基于CMA-ES优化算法设计声学超材料单元的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据声学超材料单元的设计尺寸确定各个粒子的维度及取值空间，得出样本空间的初始分布，从中选择若干粒子构成父系种群；

(2)父系种群中的每个粒子均是0-1分布的阵列，根据阵列分布在仿真软件中将每个粒子均构建成一个声学单元物理模型，其中，0代表由空气构成的声学单元结构的子单元，1代表由光敏树脂构成的声学单元结构的子单元；

(3)对父系种群中的每个声学单元物理模型进行提参，得到其等效折射率和阻抗值，将该等效折射率和阻抗值作为适应度函数的变量求得适应度函数值，根据适应度函数值判断父系种群中是否存在满足目标条件的粒子；如存在，算法停止，如不存在，更新种群，进行迭代算法，直至达到预设的停止条件；

(4)最终停止时得到满足条件的粒子，其对应的声学单元物理模型即为符合设计要求的声学超材料单元模型结构。

2.根据权利要求1所述的基于CMA-ES优化算法设计声学超材料单元的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述适应度函数值为满足阻抗取值范围的每个粒子的等效折射率最大值。

3.根据权利要求2所述的基于CMA-ES优化算法设计声学超材料单元的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述适应度函数的表达式为：

Cost＝max(n(Xi))&(ξ(X_i)＜ξ_upper)；

对于父系种群中的粒子X_i，如果其阻抗值ξ(X_i)满足ξ(X_i)＜ξ_upper，那么其折射率n(Xi)在一定频段内的最大值max(n(Xi))即为其适应度函数值；如果其阻抗值ξ(X_i)不满足ξ(X_i)＜ξ_upper，那么这个粒子的适应度函数值为0。

4.根据权利要求1所述的基于CMA-ES优化算法设计声学超材料单元的方法，其特征在于：步骤(3)中，先通过有限元分析方法对种群中的每个声学单元模型结构进行仿真，得到其反射系数和透射系数，然后由反射系数和透射系数求得其等效折射率和阻抗。

5.根据权利要求4所述的基于CMA-ES优化算法设计声学超材料单元的方法，其特征在于，所述等效折射率n根据下式确定：

式中，m为分支选择数，R、T分别为声学超材料单元结构的反射系数和透射系数，d为声学超材料单元在声波传播方向上的厚度；k＝2πf/c₀，其中f为频率，c₀为环境媒质中的声速。

6.根据权利要求1所述的基于CMA-ES优化算法设计声学超材料单元的方法，其特征在于，步骤(3)中，当父系种群中不存在满足目标条件的粒子时，从父系种群中选取若干个最优的粒子构成子孙种群，得出这个种群的初始分布，获得新的满足高斯分布的样本空间并重复前述步骤、直至达到预设的停止条件。

7.根据权利要求1所述的基于CMA-ES优化算法设计声学超材料单元的方法，其特征在于，采用八分之一对称优化算法设计声学超材料单元结构：将预设计的声学超材料单元结构划分为八部分，通过CMA-ES优化算法优化得到其中一部分的单元结构，将该部分的单元结构翻折对称得到其余结构。