本技术公开了一种叠层跨介质透声增强超透镜及使用方法,包括空气基超结构单元、水基超结构单元和十字型支撑框架,每个超结构单元均为圆环型,其中每个单元与相邻单元相连接。底层水基超结构单元、中间层空气基超结构单元和顶层空气基超结构单元在厚度方向上叠加,从而组装成一个叠层圆环型声学超透镜,十字型支撑框架用于固定每层超结构单元,通过对空气基超结构单元和水基超结构单元参数的调制,实现跨介质宽带声穿透增强以及声聚束。这种超透镜阻抗与水和空气相匹配,能够使声波穿过水‑空气界面,从而实现跨介质声聚束,同时采用叠层串联式结构以及指数阻抗分布,使得其工作频带得到有效拓宽,在水下探测和跨介质通信等领域有广阔的应用前景。
背景技术
声学超结构作为一种新型人工结构,具有超越自然界材料行为的特性,如负质量密度、负体积模量和极端泊松比等,为调控声波带来全新的自由度和极大的可能性。声学超透镜作为声学超结构的一个重要类别,是一种广泛应用的操纵声波的设备,具有提高空间声能强度的能力。水-空气界面的声阻抗的比值高达3600,只能传递0.5%的声能,这使得大多数声学超透镜只能工作在均匀的背景介质中,无法满足日益增多的水空通信应用需求。虽然一些声学超结构能够增强水-空气界面处的声音穿透能力,但是它们的工作频带较窄,而且结构的复杂程度以及强度都无法满足大规模制造及应用的需求。
针对上述技术需求,阻抗匹配可以使两种不匹配介质之间的能量高效传输,已广泛应用于电子、声学和光学等领域。传统的四分之一波长匹配层定理表明,当匹配层的厚度为1/4λ,且声阻抗为两种介质声阻抗几何平均值时,可以实现跨介质完美能量传输。声学换能器的匹配层已常用于水下声纳、超声换能器和医用超声传感器。然而,若声音跨越的两种介质分别是空气和水,匹配层材料所需要的声阻抗高达空气声阻抗的60倍,这显然并不容易获得。因此,需要一种简单可行的设计方法应用于人工结构的性能参数的设计。
实现思路