具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，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。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。

实施例1

首先，本实施例设计了一种简单的共振腔，如图1所示，在一个环形结构四周开设了4个开口，中间的大腔体可看作一个声容，四周的四个小开口可以看做四个连接在声容上的声感，同样可以使得特定频率的入射波在此结构内发生共振。腔内空气的振动相位与入射波之间存在相位差，当发生共振时，腔内空气的振动可显著影响反射波的相位，有可能与入射波同相或反相。测量时也有很大概率观测到负质量密度的出现。在共振频率下，通过旋转可以获得不同的反射波相位。

在此基础上，本实施例公开了一种多级环-腔耦合模型，具体如图2所示，图2-1为模型示意图，该模型包括从内向外依次活动嵌套的多个圆环，每个圆环上开设有多个开口，相邻两个圆环之间具有空腔；相邻两个圆环上的开口交错设置，每个圆环上的开口与该圆环两侧的空腔连通，形成多级环-腔结构。

进一步地，为了保证入射入射波从一个方向进入，本实施例在上述结构基础上还增加了外壳，外壳中间开设有与多级环-腔结构配合的容纳腔，多级环- 腔结构设置在容纳腔内，外壳上开设有与容纳腔及外界连通的入射孔。也就是说，最外侧圆环的开口与入射孔连通。

具体的，本实施例中外壳为正方形结构，每个圆环上均匀开设有4个开口。

进一步地，本实施例中，圆环共有6层，外壳的边长为60mm，入射孔的开口宽度及每个圆环的宽度均为2mm，6层圆环从外向内的半径分别为33 mm、29mm、25mm、21mm、17mm、14mm。

本实施例中，外壳及圆环为铜制材料，杨氏模量为110×10⁹Pa，泊松比为 0.35，密度为8960kg/m³。

如图2-1所示，每个圆环的开口的宽度及圆环宽度都是独立变化的参数。这结构的好处在于，它既能对声波产生共振，又有许多可以独立改变的参数，例如入射孔开口宽度a₀、第n个开口圆环的开口宽度a_n、第n个开口圆环旋转的角度θ_n等。当改变a₀、a_n、θ_n中任一个参数或同时改变任意两个参数时会使整个模型在不同的位置产生共振，也可以使得在某一频率的入射波下反射波产生不同的相位，给以后的设计带来很多便利。图2-2为该多级环-腔耦合模型对应的声学传输线模型，同样可以用等效电路理论来描述这个模型，每个开口都可以看做是一个声感，传播通道可以看做声阻，中间的空腔可以看做声容，这个模型由很多个声感、声阻和声容组成。

本发明利用COMSOL仿真研究了频率在1800-2000Hz范围内，每个圆环旋转角度发生变化时，对应的反射波相位如图3所示。不同符号代表不同配置的结构单元，“rg”代表圆环从外向内的不同序号，“ag”代表相应圆环的旋转角度，其最大旋转角度只有45度。从图中可以观察到，在其他频率段，相位随着频率近似线性变化；而在这一频率段，反射波相位发生大幅跃变，且每种结构跃变的位置都不同，这种变化被称为相位突变。相位突变的出现说明了在这一区域，不同的单元结构都在各自谐振频率发生了共振。

图4给出了在1875Hz处所有圆环各自进行旋转时对应的反射相位差值。相位变化能取到0-2π内的任意值。不同形状和符号的线段分别代表1环 (rg1)至6环(rg6)，在设计超表面时，如果需要不同的相位变化值，可以对照这个图表，寻找相应配置的单元结构。

实施例2

基于同一发明构思，本实施例还提供了一种声学超表面材料，将多个多级环-腔耦合模型周期性的平铺起来，组成一组声学超表面材料。

具体的，不同多级环-腔耦合模型的圆环的开口宽度或旋转角度不同。

本实施例在图4中选择一段较为均匀的区域，以π/4为间隔，选取8个单元结构(即多级环-腔耦合模型)组成一个周期。将这些单元结构周期性的平铺起来，组成声学超表面材料。这种超表面材料满足广义斯涅尔定律中关于相位变化梯度的要求，因此这种超表面材料能观察到广义斯涅尔定律的反常反射和负反射现象。在单元结构的选取时，同一相位变化，可以有多个单元结构配置与之对应，这样就给本发明提供了多种选择，这里本发明选取尽量准确且贴近要求相位变化的单元结构。例如π/4，约为0.7854，本发明可以选取能够提供最贴近这个数字的单元结构rg5ag8.2，它的相位变化为0.7839。由于这种单元结构非常灵活，因此本发明可以取到非常贴近要求的各个单元结构。选取的八个单元结构与对应的结构编码，图5(a)中的正方形显示的是要求的理想相位，五角星表示实际能取到的相位，可以看到两者几乎可以完全重合。本发明将超表面放在一个2360×5160mm²的求解域中进行模拟，构建的的声学超表面材料，如图5(b)所示。波导的四壁设置完美匹配层，避免波在波导管内多次反射影响实验结果。超表面以上的空间填入背景声压场模拟平面入射波，观测求解域内的散射声压场，本发明就可以得到反射波的反射方向和反射波形。本发明可以改变入射波的方向得到不同入射条件下，反射波的空间分布情况。

图6展示了三个入射角度下，这种超表面对入射波的反射情况。以下括号中的角度代表真实的入射反射角，即与法线的夹角；括号外的角度是与直线 x＝0的夹角，记这个角有利于统一地标记各个方向。图6(a)显示的是垂直入射 (0°)时的情况，如果没有超表面存在，声波会垂直反射，但在超表面的调控下，反射波以约68°(22°)的方向出射，这与斯涅尔定律预测的 67.60°(22.4°)相差无几。图6(b)展示了入射角为120°(-30°)时，波的反射情况，反射角约为28°(62°)，广义斯涅尔定律预测此时的反射角为 28.23°(61.77°)。图6(c)展示了一种负折射现象，在入射角为80°(10°)的情况下，反射角为78°(12°)，两者出现在法线的同一侧。

实施例3

当声波入射到平坦地面上的一个物体上时，由于物体本身的形状相对于平坦的地面来讲存在一定的凸起，其对入射波的散射行为注定和背景地面完全不同，由此该物体将会被探测器探测到。基于同一发明构思，在上述声学超表面材料的研究基础上，本实施例还公开了一种反射式隐身结构，将多组声学超表面材料进行排布构成反射式隐身结构，需要隐身的物体放置在反射式隐身结构下方，实现地毯式隐身。

具体的，本实施提供的为一种反射式声隐身斗篷，在上述模型中找出符合条件的单元结构，将这些单元结构进行排布构成需要的超表面材料，将超表面材料安置在物体的表面，提供所需的相位差，来调剂斗篷表面的反射波相位，使反射波仍为平面波，实现地毯式隐身。

下面先考虑一个简单的斜面来对该隐身结构进行说明，斜面下方可以放置需要隐身的物体。图7展示了斜面反射的示意图，一束平行入射波打在斜面上， A、B、C为斜面上的不同位置。根据惠更斯原理，球形波面上的每一点都是一个次级球面波的子波源，子波的波速与频率等于初级波的波速和频率，此后每一时刻的子波波面的包络就是该时刻总的波动的波面，介质中任一处的波动状态是由各处的波动决定的。A、B、C这三点分别作为一个子波源向外辐射，在同一时刻，A点出发的波传播的距离最远，球面波的半径也最大，B点次之， C点最小，将同一时刻的波面包络连接起来，就是此时的波面，子波源出发垂直于波面的方向即为反射方向。可以看到，由于入射波到达三个点的时刻不同，所以这三个子波源发出次级波的时刻也不同，体现在传播方程上就是相位各不相同，更靠近波源的点在相位上超前它其他点一个值，这个值与距波源距离的大小有关，或者说与自身所在高度有关。

如果本发明在A、B两点上加上一个可以产生相位延迟的单元结构，相位延迟的大小可以弥补这三点之间的高度差，使它们在相位方面表现得如同是一个水平面产生的一样(如图8所示)，这样就可以达到地毯式隐身效果。

相位差大小的具体的要求为，本发明以A、B两点为例，假设A、B两点的高度差Δy＝d，那么A、B之间产生的相位差应满足：

本发明设计出的上述单元结构可以满足这里补偿相位差的需要。本发明不妨取频率f＝1875Hz，波长λ＝c/f＝0.1829m，然后平均地取8个基元依次排列成一个周期，每两个之间的相位差为π/4。每个单元的宽度为60mm。代入公式中进行计算，可得到单元间的高度差应为11.43mm，斜面的倾角为θ＝10.79°。

本发明将斜面镜像沿短直角边翻转，形成一个等腰三角形区域，如图9所示。这个区域下方可以用来放置被隐藏的物体，区域的上表面每条边上分别放置两个周期的单元结构。整个模型被放在一个2360×5200mm²的求解域内进行仿真，求解域的四壁依旧设置完美匹配层，超表面以上设置背景声压场，以散射声压场来描述反射声波。

图10展示了隐身斗篷的隐身效果。图10(a)为平坦地面的反射声场分布，表示空间中没有任何障碍物时声波的反射情况，此时空间波场显示为均匀一致的平面波。图10(b)为障碍物为三角形的反射情况，显示了没有隐身斗篷时，反射波的分布情况。可以看到，声波被三角形障碍物向侧面散射，而在垂直方向几乎没有任何反射。图10(c)为隐身斗篷的隐身效果，显示了在有隐身斗篷时，反射波被原路返回。在远场条件下，可以同入射波一样呈现均匀的平面波形式。因此，该声学超表面实现了非常好的地毯式隐身效应。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。