基于Minnaert共振的气泡型超表面水下隐身机理研究

As a research focus, acoustic metasurface is a new type of artificial structure. Due to its planar, ultra-thin characteristics and flexible wave control ability, metasurface has an important application prospect in the fields of sound insulation, cloaking technology and architectural acoustics. In order to break the original phase regulation mechanism, and extend the application of the metasurface to the field of underwater cloaking, this project combined with the principle of bionics, proposed a general method to prepare the bubble type metasurface. The proposed metasurface can be used to design a new type of submarine cloaking layer with both acoustic insulation and phase modulation capabilities. The main content includes: (1) based on the Minnaert resonance characteristics of the bubble, the working frequency of the metasurface being designed, the sound insulation and phase modulation capabilities of different bubble distributions being investigated, the effects of Minnaert resonance and the strong scattering of the bubble on broadband acoustic regulation being revealed; (2) optimizing the phase control and acoustic insulation abilities of the metasurface through parameter optimization, material selection, multi-layer bubble design et al.; (3) manufacturing the bubble type metasurface model, carrying out the underwater acoustic tests, verifying the cloaking performance of the metasurface. The research of the project will lay a theoretical and experimental foundation for the research of a new submarine cloaking layer.

作为当前声学领域的研究热点，声学超构表面是一种新型的人工结构，由于具备平面、超薄特性和灵活的波控能力，使其在隔声降噪、隐身技术、建筑声学等领域具有重要的应用前景。为了突破原有的超表面相位调控机制，并将超表面的应用延伸至水声隐身领域，本项目结合仿生学原理，提出了一种通用的制备气泡型超表面的方法。该超表面可用于设计新型的潜艇隐身覆盖层，使其兼具隔声与相位调制隐身能力。主要研究内容包括：(1) 基于气泡Minnaert共振特性，设计超表面的工作频率，考察不同气泡分布形式的隔声和相位调制能力，揭示Minnaert共振以及气泡强散射效果在宽频声调控中的作用；(2) 通过参数优化、材料选取、多层气泡设计等方法来进一步优化超表面相位调控与噪声控制能力；(3) 通过3D打印技术制备气泡型超表面模型，进行水下声学测试，验证超表面的隐身性能。项目的研究成果将为新型潜艇隐身覆盖层的研究奠定理论和实验基础。

作为一种新型超薄的人工声学结构，声学超表面具备平面、超薄特性和灵活的波控能力，使其在隔声降噪、声学隐身、声透射等领域具有重要的应用前景。为突破传统材料水下声调控的限制，本项目结合仿生学原理提出一种制备水下气泡型超表面/超材料的方法，并研究了其优越的水声调控性能。项目负责人与中科院化学所合作，分别于2019年，2020年，2021年发展了一系列基于气泡结构在水下构建的超宽带隔声超结构，实现了带宽为25kHz的宽低频声隔离；将单层气泡构型应用于水面处，构建了声学透射超表面，其可作为 “声窗”来增强水上和水下声学通讯。声波通过此超表面时，透过率可增强20 dB以上。“声窗”厚度约为声波在水中波长的千分之一，工作频率可灵活调节，并允许声波宽角度及多频率水气透射。此超表面好似在水面处为声波传输打开了一个“窗户”，使声能透过率提高了200倍以上。在之后的研究当中，我们还发现荷叶等自然界中的超疏水结构可以增强水气间声波透射的新效应，频率约为28 kHz的声波透过倒扣在水面上的荷叶时，声能透射可增强400倍以上，并允许声波宽角度透射。通过构建人工超疏水结构，我们重现了此增透效应，并设计微结构来调控其工作频率。以上研究工作在水声隐身、通信工程、海洋生物学等研究领域具有重要意义。