(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111452082.X (22)申请日 2021.12.01 (71)申请人 中国船舶重 工集团公司第七一九研 究所 地址 430064 湖北省武汉市江夏区藏龙岛 开发区杨桥湖大道19号 (72)发明人 张向东　陈虹　黄贻苍　陈伟　 吴刚　张满弓　张安付　丰星星　 彭佳宁　羊慧　 (74)专利代理 机构 北京理工大 学专利中心 11120 代理人 梁倩 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种超薄超低频水声反射超表面设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种超薄超低频水声反射超 表面设计方法， 根据超表面的工作频率和异常反 射角计算超表面的厚度、 超表面等效物性参数K 和ρ， K为超表面的体积模量， ρ为超表面的密 度； 根据得到的超表面等效物性参数K和ρ， 分别 对超表面的两列以上微结构组的单个微结构的 参数t1、 t2、 W、 m和b进行设计； 该方法可用于声学 覆盖层及其他特种声学器件设计， 通过该方法设 计出的超表面能够控制法向入射的声波向偏离 法向的方向反射， 具有超常反射特性， 可控制自 身厚度10倍以上声波， 还可解除阻抗匹配的限 制。 权利要求书2页 说明书10页 附图4页 CN 114357636 A 2022.04.15 CN 114357636 A 1.一种超薄超低频水声反射超表面设计方法， 其特征在于， 所述超表面由两列以上沿 其长度方向并列的微结构组组成， 每列微结构组均包括两个或三个 沿所述超表面 厚度方向 层叠的微结构； 每个微结构均为管状结构， 且所述微结构的长度方向分别与所述超表面的 长度方向及厚度方向垂直； 所述管状结构的横截面为六边形骨架， 所述六边形骨架的六个 内角均为 120°； 令所述超表 面的长度为L， 超表 面的厚度为h， 所述六边形骨架沿超表面厚度 方向的高度为H， 六边形骨架的顶 边和底边的长度相等， 均为W， 六边形骨架的顶边壁面和底 边壁面的厚度均为t1， 六边形骨架的四个侧边壁面的厚度均为t2； 所述微结构的顶边内壁 面和底边内壁面均设有质量块， 且质量块的长度方向与所述微结构的长度方向一致， 令所 述质量块的厚度为m， 宽度为b； 所述超表面设计方法的具体步骤如下： 步骤一， 根据超表面的工作频率 f和异常反射角 θ计算超表面的厚度h、 超表面等效物性 参数K和ρ， 其中， 2 °≤θ ≤20°， K为超表面的体积模量， ρ 为超表面的密度； 步骤二， 根据步骤一得到的超表面等效物性参数K和ρ， 分别对超表面的两列以上微结 构组的单个微结构的参数t1、 t 2、 W、 m和b进行设计。 2.如权利要求1所述的一种超薄超低频水声反射超表面设计方法， 其特征在于， 在步骤 一中， 所述超表面的厚度h的计算公式为 其中， c0为水中声 波波速， 且c0＝1500m/s。 3.如权利要求1所述的一种超薄超低频水声反射超表面设计方法， 其特征在于， 在步骤 一中， 所述超表面 等效物性 参数K及ρ 的计算公式为： K＝K(x)＝K0exp(‑υx)， 0≤x≤L ρ ＝ρ(x)＝ kρ0， 0≤x≤L 其中， υ为模量调 节系数， 且 k为密度调 节参数， 为常数， 且1≤k≤3； K0为水的 体积模量， 且K0＝2.19GPa； ρ0为水的密度， 且ρ0＝1000Kg/m3； c0为水中声波波速， 且 c0＝1500m/s； x为 微结构的中心。 4.如权利要求3所述的一种超薄超低频水声反射超表面设计方法， 其特征在于， 令超表 面的长边一端到另一端之间的微结构组按顺序分别为第一列微结构组， 第二列微结构组， 第三列微结构组， …， 第n列微结构组； 在步骤二中， 对超表面的两列以上微结构组的单个微结构的参数t 1、 t2、 W、 m和b 进行设 计的具体步骤如下： 步骤2‑1， 令任意一列微结构组的单个微结构为微结构M； 该微结构M的六边形骨架的高 度为 步骤2‑2， 预估微结构 M的中心 并将x代入超表面等效物性参数K及ρ 的计算 公 式中， 得到微结构M的等效物 性参数K1及ρ1； 其中， x0为当前列微结构组距离第一列微结构组 的距离， 且对于第一列 微结构组， x0＝0； 对于第n≥2列 微结构组， 其中， Wi为第i列微结构组的单个微结构的六边形骨架的顶边和底边的长度； 步骤2‑3， 以等效物性参数K1及ρ1为设计目标， 利用均匀化理论， 计算得到微结构M的参 数t1、 t2、 W、 m和b；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114357636 A 2步骤2‑4， 根据步骤2 ‑3得到的t1、 t2、 W、 m及b， 重新计算该微结构M的中心xm,将xm代入超 表面等效物性 参数K及ρ 的计算公式 中， 得到该微结构M的等效物性 参数Km及ρm； 步骤2‑5， 根据Km、 ρm、 K1及ρ1， 对步骤2‑3得到的微结构M的参数t1、 t2、 W、 m和b进行可行性 判断： (1)若 则该微结构M的参数设计为t1、 t 2、 W、 m和b； (2)若 则令K1＝Km， ρ1＝ρm,并重复步 骤2‑4和步骤2 ‑5， 得到微 结构M的参数t1 ’、 t2’、 W’、 m’及b’和等效物性参数Km′及ρm′， 直到 时， 则该微结构M的参数设计为t1 ’、 t2’、 W’、 m’及b’。 5.如权利要求4所述的一种超薄超低频水声反射超表面设计方法， 其特征在于， 重复步 骤2‑1到步骤2 ‑5， 依次得到第一列微结构组的单个微结构、 第二列微结构组的单个微结构、 第三列微结构组的单个微结构、 第四列微结构组的单个微结构、 …、 第n列微结构组的单个 微结构， 并将所有微结构组进行拓扑连接后， 得到超薄超低频水声反射超表面， 其中， 第一 列微结构组包括三个沿所述超表面厚度方向层叠的微结构， 第二列微结构组包括两个沿所 述超表面 厚度方向层叠的微结构， 第三列微结构组包括三个沿所述超表面厚度方向层叠的 微结构， 第四列微结构组包括三个沿所述超表 面厚度方向层叠的微结构， 依次类推， …， 第n 列微结构组包括两个或三个沿所述超表面厚度方向层叠的微结构。 6.如权利要求1 ‑5任一项所述的一种超薄超低频水声反射超表面设计方法， 其特征在 于， 所述六边形骨架选用钛、 钢或铝材 料， 所述质量 块选择钢材 料。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114357636 A 3