[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

说明书

本发明属于水声技术领域，具体涉及一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法。基于声表面阻抗边界条件，采用拓扑优化方式设计实现理论声表面阻抗的水声超表面单元，并在拓扑优化框架中引入水声超表面单元振动耦合的限制，非常有效地降低了超表面固体振动的耦合，保证水下声学超表面设计的有效性，从而实现水下反射声场的调控。本发明提供的设计方式，无需人工参与，可以实现按需定制，水声超表面单元的可替换性强，设计的水下声学超表面调控方式灵活，为水下声学超表面的设计提供新的方案，可促进水声超表面在各种精细和复杂的水下声场控制中的实际应用，在海底资源勘探、声学粒子操纵、医学全息成像等工程领域具有重要的应用价值。

技术领域

本发明属于水声技术领域，具体涉及一种实现水声精准调控的反射型水声超表面逆向独立设计方法。

背景技术

针对于反射型水声超表面，目前的设计方式主要分为两种：

第一种：基于广义斯涅尔定理的独立设计。通过独立设计每个超表面单元，将具有不同反射相位的超表面单元组装在一起，根据水声超表面上的相位梯度实现水下声波的调控。缺点是对一些极端复杂的声场，如具有大角度偏转角的异常反射等并不能呈现出完美的调控性能。

第二种：基于格栅衍射理论的协同设计。需要挑选出一个周期性的超胞，通过抑制不想要的衍射分量来实现水声调控。缺点是目前主要用于周期性的水下声场调控，对于实现非周期性的水下声场，如聚焦等具有比较大的挑战性。此外，由于需要一组超表面单元的协同设计，通常调控不够灵活。

另外，在水声环境中，水与固体之间的流固耦合作用会引起水声超表面固体结构的振动，导致水声超表面单元的振动相互耦合，扰乱原先独立设计的水下超表面单元的声学调控参数，给水声超表面的独立设计的带来巨大的挑战。因此，如何通过独立设计反射型水声超表面实现各种复杂水下声场的精细调控是非常必要的，而目前所提出的水下声学超表面的独立设计方法是相当匮乏的。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种实现水声精准调控的反射型水声超表面逆向独立设计方法。本发明提供的设计方法基于声表面阻抗边界条件，采用拓扑优化方式逆向独立设计实现理论声表面阻抗的超表面单元，并在拓扑优化框架中引入水声超表面单元振动耦合的限制来保证水下声学超表面逆向独立设计的有效性，从而实现水下反射声场的精细调控。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种实现水声调控的反射型水声超表面设计方法，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)根据步骤(1)中确定的水下入射声压场和所期望实现的反射声压场通过如下公式得出：

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；