[发明专利]一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法

权利要求书

1.一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法，其特征在于该方法的步骤包括：

(1)确定水下入射声压场p_i(x，z)和所期望实现的反射声压场p_r(x，z)；

(2)确定反射界面处的声表面阻抗边界条件Z_s(x，0)；

所述的声表面阻抗边界条件Z_s(x，0)通过如下公式得出：

其中n_s＝e_z，e_z表示反射界面的法向量；p_i(x，z)和p_r(x，z)分别表示给定的入射声压场和期望实现的反射声压场；v_i(x，z)表示入射速度场，v_r(x，z)表示反射速度场，j为虚数，其中Z_w＝ρ_wc_w是水的特征声阻抗，ρ_w和c_w分别表示水的密度和声速，k表示传播的波数，x表示水平方向的物理坐标，z表示竖直方向的物理坐标；

(3)将水声超表面离散成两个以上的超表面单元，确定每个水声超表面单元对应步骤(2)中所确定的反射界面处的声表面阻抗边界条件Z_s(x，0)的声表面阻抗值；

(4)根据确定的每个超表面单元的声表面阻抗值，初步获得与理论要求接近的声表面阻抗的一组超表面单元，初步获得的与理论要求接近的声表面阻抗的超表面单元的结构形式为Ω_D1，Ω_D1的与理论阻抗相关的适应度函数O₁(Ω_D1)为：

其中，φ_tar和Γ_tar表示理论要求的表面阻抗所对应的反射相位与幅值；和表示超表面单元的结构形式为Ω_D1时实际提供的表面阻抗所对应的反射相位与幅值；S_φ，S_Γ表示权重系数；

(5)获得与理论要求的声表面阻抗接近同时振动耦合最小的超表面单元，超表面单元的结构形式为Ω_D2，Ω_D2的与理论阻抗和振动耦合相关的适应度函数O₂(Ω_D2)为：

且

其中，和表示超表面单元的结构形式为Ω_D2时实际提供的表面阻抗所对应的反射相位与幅值；表示超表面单元的结构形式为Ω_D2时具有的振动耦合传输系数，S_T表示权重系数。

2.根据权利要求1所述的一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法，其特征在于：

步骤(3)中，将水声超表面离散成宽度相同的超表面单元。

3.根据权利要求1所述的一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法，其特征在于：

步骤(3)中，将水声超表面离散成宽度不同的超表面单元。

4.根据权利要求1所述的一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法，其特征在于：

步骤(3)中，在确定每个水声超表面单元对应步骤(2)中所确定的反射界面处的声表面阻抗边界条件Z_s(x，0)的声表面阻抗值时，根据每个超表面单元上表面的中心位置对应的坐标x进行确定。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法，其特征在于：

步骤(4)中，Ω_D1的振动耦合传输系数T_L(Ω_D1)＜0。

6.根据权利要求5所述的一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法，其特征在于：

步骤(4)中，Ω_D1的静水压下的最大静变形系数D_F(Ω_D1)＜2％。