声拓扑~基于任意弯曲的1位编码超表面的远场声调制

文摘   2024-12-27 21:00   江苏  



摘要


近年来,编码的概念被引入到元表面的设计中,它只需要几个单元就可以构建元表面,并为调制波提供了一个智能平台。然而,现有的编码元曲面大多是平面的,无法满足实际中对曲面形状的特殊要求。本文提供了一种任意弯曲的1位编码超表面来引导远场声波。从理论上推导了弯曲编码超表面的远场辐射形式。为了获得理想的衍射图案,提出了一种基于遗传算法的编码序列定制反设计优化方法。采用有限元方法实现了圆形、抛物面和正弦曲面的全波模拟。讨论了曲率半径的影响。对圆形编码超表面进行了定向折射、对称和非对称分束实验验证。结果表明,通过对编码序列的优化,可以有效地抑制非期望方向的副瓣,使非对称分束的实现变得容易。本研究为任意弯曲编码超表面的设计和声波的处理提供了重要的理论指导

研究亮点



结论


综上所述,本文提出了一种新颖的任意弯曲(包括。(圆形、抛物线形和正弦波形)编码超表面来调制传输声波的波前。与一般编码元表面编码单元排列在直线或平面上不同,该元表面可以任意弯曲,这大大拓宽了编码元表面的应用范围。

基于远场散射理论,导出了任意曲面远场辐射方向图的显式表达式。以期望的功能为目标,采用快速收敛的遗传算法逆向设计元曲面的编码序列。从理论上和数值上实现了不同曲面编码超表面的对称分束、非对称分束和定向折射。特别是1位元曲面编码难以实现的定向折射和非对称分束[56],可以通过曲面元曲面的反设计轻松实现。尽管如此,由于超表面孔径相对较小,本文所考虑的远场调制使得一些高质量的功能难以实现,如点聚焦和成像。

进一步研究了曲率半径对曲面超表面的影响。随着曲率半径的增大,在定向折射情况下对称方向的旁瓣变强。通过对编码序列的重新优化,可以有效地抑制副瓣。采用3D打印技术制备了圆形编码超表面样品,并进行了实验。实验结果与理论和数值结果吻合较好。最后,我们想提一下,设计的元表面的工作带宽在实际应用中也是一个重要的问题。

在本文中,虽然假设工作频率为3700 Hz,但我们发现所设计的超表面可以在3650 Hz - 4000 Hz范围内工作,带宽约为150 Hz。进一步的详细分析可以在附录b中找到。然而,超表面的宽带设计仍然具有挑战性。实现灵活的非宽频带超表面波场的色散调制一直是人们关注的焦点。如Zhao等[54]设计了恒相位差编码单元,通过拓扑优化实现了元表面的宽带特性。这是值得进一步研究的课题之一。

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拓扑优化 创新设计
拓扑优化是一种工程设计方法,通过重新排列材料的形状和位置,来实现结构更轻、更强、更稳定的目的。这种方法可以减少材料使用,提高结构性能,广泛应用于航空航天、汽车和建筑设计等领域。
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