基于二元超构表面的不对称声波分离器

1.本发明属于声波传播技术领域，具体涉及一种基于二元超构表面的不对称声波分离器。

背景技术：

2.非对称传输允许入射能量从一个方向通过设备的高传输，但从另一个方向没有或低传输。由于单向效应在许多应用中的根本重要性，非对称传输已在热能控制、定向光传输、机械波切换和声学二极管等领域得到了广泛的研究。然而，大容量、实现复杂和高损耗一直是非对称传输设备实际实现的障碍。
3.超材料为在亚波长范围内控制经典波开辟了新的可能性。特别是，二维超材料中，超表面已显示出其在超薄平面结构中控制波流的强大能力。在声学领域，声学超表面已被证明是很好的候选材料，可用于在不同系统中实现不对称传输效果，例如有源介质、近零折射率介质、圆柱形波导和非厄米系统。通常，以异常方式操纵声波，这些声学超表面设计有相位梯度。相位梯度由许多晶胞实现，形成一个均匀覆盖2π相位范围的超晶胞。大量的晶胞不仅会增加设计的复杂性，还会导致声学超表面中更多不可避免的吸收。此外，更多的单元数量可以减小具有固定周期的超级单元的单元尺寸，这对更高频率的样品制造提出了很大的挑战。幸运的是，最近的一些研究表明，声学超表面的性能对晶胞的数量不敏感，更少的晶胞可以很好地保留所需的现象。因此，具有简单设计的声学超表面可以潜在地用于实现at效应，从而可以有效地解决这些问题。
4.因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于二元超构表面的不对称声波分离器。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于二元超构表面的不对称声波分离器。
6.为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
7.一种基于二元超构表面的不对称声波分离器，所述分离器包括相对设置的第一超晶胞和第二超晶胞，第一超晶胞具有第一声学超构表面，第二超晶胞具有第二声学超构表面，第一超晶胞和第二超晶胞之间具有气隙δd，第一超晶胞包括若干交替设置的第一晶胞和第二晶胞，第二超晶胞包括若干交替设置的第三晶胞和第四晶胞，第三晶胞包括两组第一晶胞，第四晶胞包括两组第二晶胞，第一晶胞和第二晶胞的高度h和宽度w1均相等，相位差为π，第三晶胞和第四晶胞的高度h和宽度w2均相等，相位差为π，且w2＝2w1，第一超晶胞的周期长度 p1与第二超晶胞的周期长度p2满足p2＝2p1。
8.一实施例中，所述分离器满足：
9.p1＝2w1＜λ，p2＝2w2＞λ，θ＝arcsin(λ/p2)；
10.其中，λ为声波的波长，θ为声波的分裂角。
11.一实施例中，所述分离器满足：δd＞0.3λ，h＝0.5λ，
θ＝arcsin(λ/p2)＝45
°
。
12.一实施例中，所述分离器中δd＝0.5λ。
13.一实施例中，所述分离器的对比度η为：
14.η＝|e
pi-e
ni
|/(e
pi
+e
ni
)；
15.其中，e
pi
和e
ni
分别为正入射和负入射的传输能量。
16.一实施例中，所述分离器的工作频率为3.28khz～3.54khz，对比度η≥0.8。
17.一实施例中，所述分离器的工作频率为3.43khz，声波波长λ＝10cm。
18.一实施例中，所述第一晶胞为中空设置的基体，第二晶胞包括中空设置的基体及位于基体相对两内壁上交错分布的若干隔板。
19.一实施例中，所述基体及隔板的材质为丙烯酸。
20.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
21.本发明通过不同周期的晶胞构造两个双层声学超构表面，并通过调整气隙，基于衍射通道的过渡实现声波的可调谐不对称传输，对工作频率和入射角具有鲁棒性，可应用于无源声学二极管等器件中。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明中不对称声波分离器(气隙为δd)的结构示意图；
24.图2为本发明一具体实施例中第一晶胞和第二晶胞的结构示意图；
25.图3为本发明中不对称声波分离器(气隙为0)的结构示意图；
26.图4a、4c分别为正入射和负入射时(δd＝0.5λ)双层声学超构表面的数值模拟场图；
27.图4b、4d分别为正入射和负入射时(δd＝0.5λ)的实验结果图；
28.图4e为正入射和负入射时(δd＝0.5λ)光束分裂的远场分布图；
29.图5a、5c分别为正入射和负入射时(δd＝0)双层声学超构表面的数值模拟场图；
30.图5b、5d分别为正入射和负入射时(δd＝0)的实验结果图；
31.图5e为正入射和负入射时(δd＝0)光束分裂的远场分布图；
32.图6为双层声学超构表面中(δd＝0.5λ和δd＝0)对比度和工作频率的曲线图。
具体实施方式
33.以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
34.参图1所示，本发明公开一种基于二元超构表面的不对称声波分离器，包括相对设置的第一超晶胞10和第二超晶胞20，第一超晶胞10具有第一声学超构表面(abm-1)，第二超晶胞20具有第二声学超构表面(abm-2)，第一超晶胞和第二超晶胞之间具有气隙δd，第一
超晶胞10包括若干交替设置的第一晶胞 11和第二晶胞12，第二超晶胞20包括若干交替设置的第三晶胞21和第四晶胞 22，第三晶胞21包括两组第一晶胞11，第四晶胞22包括两组第二晶胞12，第一晶胞11和第二晶胞12的高度h和宽度w1均相等，相位差为π，第三晶胞21 和第四晶胞22的高度h和宽度w2均相等，相位差为π，且w2＝2w1，第一超晶胞10的周期长度p1与第二超晶胞20的周期长度p2满足p2＝2p1。
35.本发明中设置p1＝2w1＜λ，p2＝2w2＞λ，，λ为声波的波长，声波从第一声学超构表面(abm-1)上入射，透射波或反射波的出射方向由下式确定：
[0036][0037]
其中，g1＝2π/p1，为第一声学超构表面(abm-1)的倒格矢，n为衍射级，1)的倒格矢，n为衍射级，(k0＝2π/λ，θ
in
为声波入射角)。显然，由于abm-1中的g1》k0，这些非零衍射级是正入射(θ
in
＝0)的渐逝波。可以预见，出射波可以采用n＝0 的顺序。由于abg-1由两个单元组成，因此入射波可以经历偶数个穿过超构表面的导波。根据奇偶性衍射定律，入射波被全反射，表面模式在界面处有界。而对于通常入射在abm-2上且p2＝4w1》λ的入射波，出射波遵循：
[0038][0039]
其中，g2＝2π/p2(g2《k0)。
[0040]
在这种情况下，这些n＝0和n＝
±
1的传播衍射级对于入射波都是可能的。然而，由于相位梯度，衍射级n＝
±
1是优先的。因此，从n＝
±
1通道衍射的出射波可以产生分束效应。根据式(2)，声波的分裂角为θ＝arcsin(λ/p2)。
[0041]
结合图2所示，第一晶胞11为中空设置的基体，第二晶胞12包括中空设置的基体及位于基体相对两内壁上交错分布的若干隔板，基体及隔板的材质为丙烯酸。通过如此结构最终可实现两个晶胞的相位分别为0和π。
[0042]
通过将第一声学超构表面(abm-1)、第二声学超构表面(abm-2)与气隙δd 相结合，可以实现声波的非对称分束。对于正入射(入射波沿+y方向传播)，入射波可以通过具有分束效应的abm-2。气隙中θ＝arcsin(λ/p2)的出射波可以进一步撞击abm-1。根据方程式(1)，的入射波可以通过阶引起的负折射效应穿过abm-1，实现出射角为θ＝arcsin(λ/p2)。从式(3)可以很好地看出正入射的高效分束：
[0043]
其中
[0044]
对于负入射，即入射波沿-y方向传播，由于abm-1中的全反射效应，弱透射波通常入射到abm-2上，从而产生低效率的分束。
[0045]
参图3所示，对于闭合气隙(δd＝0)的情况，abm-1和abm-2可以形成一个单层超表面，周期性调制为“0”、“π”、“π”和“0”，其周期长度为p2。很明显，不对称衍射级消失了，因此对于正入射和负入射都可以发生高效分束。
[0046]
本发明一具体实施例中，工作频率为3430hz(λ＝10cm)，h＝0.5λ，因此，分束角为θ＝arcsin(λ/p2)＝45
°
。
[0047]
根据上述参数制作了设计的abm-1和abm-2的两个样品，并通过实验揭示了它们的全反射和透射分束波函数。通过将两个abm放置在二维声波导中，观察光束分裂的可调谐不
对称传输。扬声器阵列用于产生入射平面波，并使用步进为1.0cm的移动麦克风来测量波导中的压力场分布。为了消除不希望的反射，将泡沫放置在波导的边界处。
[0048]
申请人研究了具有气隙δd的双层声学超构表面abms，发现δd》0.3λ时， abm-1和abm-2之间的耦合可以有效降低。因此，本发明中设计气隙δd＝0.5λ用于观察不对称传输效应。
[0049]
正入射的双层声学超构表面的数值模拟场图如图4a所示，其中可以看到θ＝45
°
的高效分束效应。进行实验以测量高效分束，测量区域由图2a中的白虚线框表示。图4b中的实验结果显示出射波向两个方向喷射，并证实了高效分束，这与数值一致。对于负入射，图4c在数值上显示了双层声学超构表面中的低效率光束分裂，并且入射波几乎被反射回来。4d中的实验结果证实了这种低效率的分束。为了进一步证明不对称光束分裂，两种入射的光束分裂的远场分布如图 4e所示，其中测量半径是距离出口端的中心10λ(0cm，7.5cm)。在由两块丙烯酸板形成的平面声波导中，实验结果被归一化为模拟结果的最大值，两个结果一致地显示了分束的不对称性能。
[0050]
气隙δd可以作为额外的自由度来实现双层声学超构表面中的不对称传输和对称传输的切换。当气隙闭合时，即δd＝0，可以实现分束的对称传输。如图 5a和图5c中的数值模拟场图所示，高效分束可以独立于入射方向发生。图5b 和图5d中的相应实验结果证实了正入射和负入射的高效分束。图5e中显示了对称分束的相应远场性能，实验结果与模拟结果一致。
[0051]
为了定量揭示对称/非对称传输效应的性能，来自相反入射的传输能量的对比度η定义为：
[0052]
η＝|e
pi-e
ni
|/(e
pi
+e
ni
)；
[0053]
其中，e
pi
和e
ni
分别为正入射和负入射的传输能量。
[0054]
两种情况下的传输能量都是在距离样品2λ处测试的，图6显示了对比度和工作频率之间的关系，其中，上方曲线和下方曲线分别代表不对称传输和对称传输的情况，实现和虚线分别代表模拟值(sim)和实验值(exp)。所考虑的工作频率范围在3430hz的中心频率附近运行，即从3.0khz～3.8khz。
[0055]
出的是，实验中非对称传输的对比度可以在3.28khz～3.54khz范围内保持良好的性能(η≥0.8)，因此带宽约为中心频率的7.8％，与模拟中的6.8％略有偏差。
[0056]
对于对称透射的情况，在模拟和实验中，对比度都低于20％。虽然所提出的双层声学超构表面由简单的声学结构制成，但不对称的传输性能可以保持一定的频带，这在实际应用中很有用。此外，申请人还发现非对称传输不仅可以在垂直入射下工作，而且可以在倾斜入射下工作。
[0057]
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0058]
本发明通过不同周期的晶胞构造两个双层声学超构表面，并通过调整气隙，基于衍射通道的过渡实现声波的可调谐不对称传输，对工作频率和入射角具有鲁棒性，可应用于无源声学二极管等器件中。
[0059]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权
利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0060]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：

1.一种基于二元超构表面的不对称声波分离器，其特征在于，所述分离器包括相对设置的第一超晶胞和第二超晶胞，第一超晶胞具有第一声学超构表面，第二超晶胞具有第二声学超构表面，第一超晶胞和第二超晶胞之间具有气隙δd，第一超晶胞包括若干交替设置的第一晶胞和第二晶胞，第二超晶胞包括若干交替设置的第三晶胞和第四晶胞，第三晶胞包括两组第一晶胞，第四晶胞包括两组第二晶胞，第一晶胞和第二晶胞的高度h和宽度w1均相等，相位差为π，第三晶胞和第四晶胞的高度h和宽度w2均相等，相位差为π，且w2＝2w1，第一超晶胞的周期长度p1与第二超晶胞的周期长度p2满足p2＝2p1。2.根据权利要求1所述的基于二元超构表面的不对称声波分离器，其特征在于，所述分离器满足：p1＝2w1＜λ，p2＝2w2＞λ，θ＝arcsin(λ/p2)；其中，λ为声波的波长，θ为声波的分裂角。3.根据权利要求1所述的基于二元超构表面的不对称声波分离器，其特征在于，所述分离器满足：δd＞0.3λ，h＝0.5λ，θ＝arcsin(λ/p2)＝45
°
。4.根据权利要求3所述的基于二元超构表面的不对称声波分离器，其特征在于，所述分离器中δd＝0.5λ。5.根据权利要求4所述的基于二元超构表面的不对称声波分离器，其特征在于，所述分离器的对比度η为：η＝|e
pi-e
ni
|/(e
pi
+e
ni
)；其中，e
pi
和e
ni
分别为正入射和负入射的传输能量。6.根据权利要求5所述的基于二元超构表面的不对称声波分离器，其特征在于，所述分离器的工作频率为3.28khz～3.54khz，对比度η≥0.8。7.根据权利要求5所述的基于二元超构表面的不对称声波分离器，其特征在于，所述分离器的工作频率为3.43khz，声波波长λ＝10cm。8.根据权利要求1所述的基于二元超构表面的不对称声波分离器，其特征在于，所述第一晶胞为中空设置的基体，第二晶胞包括中空设置的基体及位于基体相对两内壁上交错分布的若干隔板。9.根据权利要求8所述的基于二元超构表面的不对称声波分离器，其特征在于，所述基体及隔板的材质为丙烯酸。

技术总结

本发明揭示了一种基于二元超构表面的不对称声波分离器，所述分离器包括相对设置的第一超晶胞和第二超晶胞，第一超晶胞具有第一声学超构表面，第二超晶胞具有第二声学超构表面，第一超晶胞和第二超晶胞之间具有气隙Δd，第一超晶胞包括若干交替设置的第一晶胞和第二晶胞，第二超晶胞包括若干交替设置的第三晶胞和第四晶胞，第三晶胞包括两组第一晶胞，第四晶胞包括两组第二晶胞，第一晶胞和第二晶胞的相位差为π，第三晶胞和第四晶胞的相位差为π。本发明通过不同周期的晶胞构造两个双层声学超构表面，并通过调整气隙，基于衍射通道的过渡实现声波的可调谐不对称传输，对工作频率和入射角具有鲁棒性，可应用于无源声学二极管等器件中。等器件中。等器件中。