Page 6 - 《应用声学》2020年第6期

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进一步降低结构纵向尺度，同时结合两侧类亥姆霍
0 引言
兹共振器阵列在透射端形成高效准直声束，但该结
对声波的操控在国民经济、国防科技等领域中 构横向距离较大。本文对该结构的参数依赖性进行
均有重要的应用，传统的声学器件往往受到入射声 研究，有助于进一步降低横向尺度，从而拓展该类结
频率的制约，难以在小尺度下实现对声波的有效操 构的应用前景。
控，限制了该类器件在实际中的应用。如基于声参
量阵理论的传统指向性声辐射器件，其指向性好，但 1 具有强指向性的超薄声人工结构
结构较复杂、尺寸较大、转换效率较低 [1−6] 。近 20
Hu 等 [19−20] 提出的结构及各参数设置如图 1
多年来，声波在人工材料中的传输特性受到研究者
所示，刚性结构厚度为 H，中心有一折叠狭缝，上下
的广泛关注，通过在亚波长尺度构建单元结构，利用
两侧为 r 个等间隔排列的类亥姆霍兹共振器阵列，
单元的共振特性改变声波的传输方向等，可实现如
该共振器颈口宽度和高度分别为d、l，空腔宽度和高
声隐身、负折射、单向传输等新颖功能 [7−12] 。
2007年，研究者发现了基于声人工材料的声异 度分别为ab，且中心狭缝与邻近凹槽间距以及相邻
常透射现象 [13−15] ，当平面声波垂直入射到一个具 共振器凹槽的间隔为 D。由于结构材料和背景空气
有周期狭缝结构的钢板中时，在某些特殊频率点， 阻抗不匹配，当平面声波从结构下方沿 z 方向垂直
由于声表面波与入射声波 Fabry-Perot (F-P) 共振 入射时，大部分能量都被结构反射导致透射率较低。
的相互耦合导致声波的透射率会有极大提高。基于 但在满足 F-P 共振条件，即狭缝长度为入射声波半
该现象，Zhou 等 [16] 提出了一种厚度约为入射波长 波长的整数倍时，透射率达到一极大值。本文采用
1/2 的栅格结构，其透射声波传播长度可达 80 个入 中心折叠结构来增加声波实际传输距离，等效于在
射声波波长，但该结构仍受到入射声波波长的制约。 同等厚度垂直狭缝中填充了高折射率材料，从而使
而 Li 等 [17] 和 Xie 等 [18] 基于广义斯奈尔定律，利用 F-P 共振频率向低频偏移，实现在超亚波长尺度上
空间折叠结构，实现了在更低尺度上的指向性声束， 产生相对低频的F-P 共振。平板两侧的周期性类亥
但该类结构依赖于相邻单元的相位差，对结构的精 姆霍兹凹槽阵列将高阶散射波转换成沿结构表面
度要求较高。Hu等 [19] 提出了可产生强指向性声辐 传播的声表面波，并向狭缝处聚拢，与 F-P 共振产
射的平面超薄人工结构，通过将中心狭缝进行折叠 生的透射波耦合，产生高效准直波束。

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d a
w l
b
z H
D D
x
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图 1 可实现高效声准直传播的超薄穿孔平板结构
Fig. 1 A schematic diagram of an ultra-thin planar structure for realizing high-efficiency
collimation through an aperture in the center
入射的声能量反射，导致能量的损失。若仅在结构
2 类亥姆霍兹共振器阵列的作用 上侧嵌入类亥姆霍兹凹槽阵列，即使能形成准直波
束，但其能量较弱，无法传播足够远的距离。而若
2.1 类亥姆霍兹共振器阵列对准直效果的影响 在结构下侧嵌入类亥姆霍兹凹槽阵列，如图 2(a) 所
对一个仅有中心狭缝的钢板而言，大部分情况 示，则当类亥姆霍兹共振腔凹槽共振频率和 F-P 共
下，几乎所有的能量都会被反射导致透射率接近为 振频率一致时，垂直入射的平面波将通过凹槽被转
0。但在 F-P 共振频率点，中心处透射声能量将到达 换为声表面波，沿着凹槽表面聚拢到中心，并通过
一极大值，而在中心狭缝以外的位置，钢板仍然将 中心狭缝透射到钢板上方。本文经设计得到 F-P 共