一种超散射体及具有亚波长厚度的透水隔声屏障

技术领域

本发明涉及水下隔声技术领域，尤其是涉及一种超散射体及具有亚波长厚度的透水隔声屏障。

背景技术

声学超材料引起的新奇的声波调控现象可能会创新声学领域的现有技术，而超散射作为一种重要的声波与物质间的相互作用，能够极大地对入射声波进行散射，可用于能量收集、隔音和声传感等。通常，传统观点认为当散射体的几何尺寸大于感兴趣的声波波长时散射增强。研究表明，具有特定结构或者紧凑涂层的亚波长散射体同样可以获得更大的散射强度。而声波在水介质中的传播相比于空气来说更加复杂，并且需要考虑流体和固体两种介质之间相互作用的影响，这使得水下亚波长隔声器件的研究较少。

对于超散射这一反常声波调控现象，从角动量的角度来看，每个单通道在共振条件下具有散射截面极限。克服这一极限的方法是实现在一个频率下多个模式的共振散射叠加，这种共振重叠放大了亚波长结构的散射能力。

但现有的等外径的普通柱体，并不能激发出足够的共振模式以此来实现有效的背向散射，无法满足实际应用的诸多需求。因此，亟需提供一种在水下隔声效果好的超散射体及具有亚波长厚度的透水隔声屏障。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在等外径的普通柱体，不能激发出足够的共振模式以此来实现有效的背向散射，无法满足实际应用的诸多需求的缺陷而提供一种超散射体及具有亚波长厚度的透水隔声屏障。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本方案提供了一种超散射体，包括圆柱基体和鳍状突起，所述鳍状突起固定在圆柱基体的圆弧侧，所述鳍状突起的数量为多个，各个鳍状突起沿圆柱基体呈圆形阵列分布，各个鳍状突起等角度分布。

优选地，所述鳍状突起包括依次连接的第一圆弧边、第一斜边、第二圆弧边和第二斜边，所述第一弧形边与第二弧形边同轴分布，所述第一弧形边与圆柱基体的圆弧侧形状相配合。

优选地，所述第二弧形边的长度大于第一弧形边的长度。

优选地，所述超散射体通过3D打印或线切割一体成型。

优选地，所述超散射体的材质为不锈钢。

本方案还提供了一种具有亚波长厚度的透水隔声屏障，包括上述的一种超散射体，所述超散射体的数量为多个，各个超散射体呈线性阵列分布。

优选地，相邻的超散射体的间距大于所述超散射体半径的2倍。

优选地，各个超散射体等间距分布。

优选地，各个超散射体的共振频率相同。

优选地，声波进入所述透水隔声屏障的入射角范围为0-25度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本方案中圆柱基体外侧等角度设置多个鳍状突起构成超散射体，超散射体利用水下声-固相互作用，采用鳍状突起来丰富谐振模式，利用多个谐振器组成的散射体可激发出足够数量的角动量通道实现超散射现象，以打破单通道衍射极限的限制，普通柱体在空间中各个方向的散射能力几乎是均匀的，而超散射体具有强烈的背向散射能力，用以满足实际应用的诸多需求，具有更强的适应性和实用性。

(2)本方案中将多个超散射体基元等间隔线性排列构成透水隔声屏障，每个超散射体具有相同的共振频率，间隔排列的超散射体单元具备良好的透水隔声能力，且由于超散射体的各向同性设计，基于超散射体构建的隔声屏障具有小尺度和多方向有效隔声的优点，为水下噪声隔离提供了一种可行的方法。

附图说明

图1为本发明提供的超散射体的结构示意图；

图2为本发明提供的超散射体的俯视图；

图3为本发明提供的透水隔声屏障的结构示意图；

图4为本发明提供的透水屏障的俯视图；

图5为本发明提供的超散射体基元与普通等外径柱体基元的散射截面的比值；

图6为本发明提供的超散射体基元与普通等外径柱体基元散射强度的远场指向性对比；

图7为本发明提供的超散射体与普通柱体各向散射强度的对比；

图8为本发明提供的超散射体组成的透水隔声屏障与普通柱体组成的屏障在第一背向区域的变角度入射隔声性能对比；

图9为本发明提供的超散射体组成的透水隔声屏障与普通柱体组成的屏障在第二背向区域的变角度入射隔声性能对比；

图中：1、圆柱基体，2、鳍状突起，21、第一圆弧边，22、第一斜边，23、第二圆弧边，24、第二斜边。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供了一种超散射体，包括圆柱基体1和鳍状突起2，鳍状突起2固定在圆柱基体1的圆弧侧，鳍状突起2的数量为多个，各个鳍状突起2沿圆柱基体1呈圆形阵列分布，各个鳍状突起2等角度分布。

具体地，鳍状突起2包括依次连接的第一圆弧边21、第一斜边22、第二圆弧边23和第二斜边24，第一弧形边21与第二弧形边23同轴分布，第一弧形边21与圆柱基体1的圆弧侧形状相配合。第二弧形边23的长度大于第一弧形边21的长度。

其中，超散射体通过3D打印一体成型。超散射体的材质为不锈钢。利用超散射体结构尺寸较小的特点，使之一体成型，提高制造生产效率以及结构尺寸的精确度。

通过圆柱基体1外侧等角度设置多个鳍状突起2构成超散射体，超散射体利用水下声-固相互作用，采用鳍状突起2来丰富谐振模式，利用多个谐振器组成的散射体激发出足够数量的角动量通道实现超散射现象，以打破单通道衍射极限的限制，普通柱体在空间中各个方向的散射能力几乎是均匀的，而超散射体具有强烈的背向散射能力，用以满足实际应用的诸多需求，具有更强的适应性和实用性。

如图3和图4所示，本实施例还提供了一种具有亚波长厚度的透水隔声屏障，包括上述的一种超散射体，超散射体的数量为多个，各个超散射体呈线性阵列分布。

优选实施方式，相邻的超散射体的间距大于所述超散射体半径的2倍，确保大于透水隔声屏障所对应工作频率的一个声波波长。使超散射体间隔更大的同时，保证了屏障的隔声效果，减少了相同长度屏障采用超散射体的数量，节省成本简化结构。各个超散射体等间距分布，各个超散射体的共振频率相同。

进一步地，声波进入透水隔声屏障的入射角范围为0-25度。

将多个超散射体基元等间隔线性排列构成透水隔声屏障，每个超散射体具有相同的共振频率，间隔排列的超散射体单元具备良好的透水隔声能力，且由于超散射体的各向同性设计，基于超散射体构建的隔声屏障具有小尺度和多方向有效隔声的优点，为水下噪声隔离提供了一种可行的方法。

结合上述的实施方式，如图1和图2所示，本实施例中通过线性阵列化超散射体基元可构成亚波长厚度的水下透水隔声屏障。超散射体由圆柱基体1和镶嵌在外围的鳍状突起2组成。其中，鳍状突起2作为共振器存在，激发了多种共振模式。共振器即鳍状突起2的径向长度为h，相邻两鳍状突起2的间隔为w，二者共同决定了共振器的共振频率。其比值w/h可根据实际情况自由设计调节，从而满足不同频段的隔声需求。

此外，通过将多个具有相同共振频率的超散射体线性等间隔排列可构建特定频率的阵列型透水隔声屏障。如图3和图4所示，由超散射体阵列排布得到的水下阵列型透水隔声屏障。因此，声源发出的平面声波可以被该隔声屏障完美地隔断，即透射声波被抑制，而水流可以通过基元之间的透水间隙自由流通。

本发明合理选取了遗传算法结合有限元仿真来优化得到合适的频率和几何参数。优化过程保持超散射体最大外径r不变，其中鳍状突起2的间距w，长度h以及工作频率f均作为优化中的自由度。根据优化得到的结构参数w＝0.6mm，h＝0.9mm，如图5所示，在f＝210kHz频率附近，超散射体诱导的散射比普通柱体强得多。同样对散射波的方向性进行表征可知，普通柱体在空间中各个方向的散射能力几乎是均匀的，而超散射体具有强烈的背向散射能力，如图6所示。

构成隔声屏障的超散射体使用不锈钢等材料通过3D金属打印技术加工得到。本发明沿半径为10.5mm的参考圆测量了各向散射强度分布，如图7所示。图中清晰地显示出，在180°左右时，与普通柱体相比，入射到超散射体上的声波更多地被散射。

为了充分利用超散射体的强背向散射特性，本发明还公开了一种由超散射体阵列组成的稀疏超声屏障，旨在实现高效隔音的同时允许水流通过。在设计排布周期时，考虑到间隔大小d对超声屏障的隔声效果至关重要，本工作再次利用遗传算法结合有限元分析方法对d进行优化来最大化超散射体阵列的隔声能力。

由于超散射体的各向同性设计，超声波屏障有望在大入射角范围内保持超散射特性。本发明计算了不同入射角下的背向不同区域处的总声强。如图8和图9所示，在一定的入射角范围内，大部分能量无法通过超散射体阵列。因此，本发明所提出的超散射体阵列在特定入射角范围内能够有效地保持隔声。

本实施例还提供了一种结合上述优选方式的透水隔声屏障的具体结构参数，其中超散射体的鳍状突起分布间隔为w＝0.6mm，径向延伸长度为h＝0.9mm，柱体的外径为r＝3mm，高度为H＝50mm；隔声屏障的排布间隔为d＝7.7mm，总长度为L＝67.6mm。隔声屏障通过设计超散射体基元，优化结构参数，实现其强背向散射能力；并且将单个的超散射体基元进行排列，可构建亚波长厚度的水下阵列型透水隔声屏障。本发明具备小尺寸、结构简单、多角度高效透水隔声等特性，为水下噪声隔离提供了一种可行的方法。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。