用于增强声音穿透空气层效果的水下声学金属透镜

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Underwater acoustic metalens for enhanced sound transmission penetration through an air layer

　　

摘要

超空化技术是一种水下减阻技术，它在水下物体周围形成持续的气体包层以克服粘性阻力，从而实现大约90%的阻力减少。然而，严重的阻抗不匹配阻碍了声波穿透水下空气层，导致声波传输损失超过60分贝（dB），这严重限制了超空化水下车辆的通信能力。由于需要克服水-空气两个界面的限制，几乎没有声学设备能够在不破坏气泡的情况下增强声波传输。为了解决这一挑战，我们提出了一种基于有效介质理论的层压声学金属透镜的设计方法。该方法能够实现通过水下空气层的高效声波传输，并具有一定的工作带宽，这主要归功于对相位差的控制。在这种设计中，层压声学金属透镜独立实现了两个关键功能：通过水下空气层实现具有一定工作带宽的传输增强，并能够调节工作频率。与裸露的水下空气层相比，实验结果表明，层压声学金属透镜在400赫兹（Hz）的工作带宽内实现了超过30分贝的声波传输增强。此外，所提出的层压声学金属透镜可以在入射角小于80°的范围内实现传输增强，并且传输频率可以灵活调整。其卓越的性能表明，所提出的金属透镜设计方法在水下超空化车辆的导航和引导应用中具有巨大的潜力。