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申请/专利权人：北京理工大学

摘要：本发明公开的一种基于五模微结构的宽频水声透镜及优化方法，属于水声材料优化和水声调控技术领域。本发明公开的一种基于五模微结构的宽频水声透镜主要由一系列不同几何参数的五模结构单元构成，所述不同几何参数的五模结构单元通过分层布设构成宽频水声透镜。所述宽频水声透镜在二维平面上具有中心轴对称性。本发明还公开一种基于五模微结构的宽频水声透镜优化方法，用于优化得到基于五模微结构的宽频水声透镜，通过优化宽频水声透镜梯度折射率分布和优化五模结构单元，使宽频水声透镜满足广义纵波全透射阻抗匹配条件，有效解决水声透镜结构与水的声阻抗失配问题，实现宽频水声透镜能够在水下环境中针对声波实现宽带、高增益、高效率的聚焦功能。

主权项：1.一种基于五模微结构的宽频水声透镜，其特征在于：由一系列不同几何参数的五模结构单元构成，所述不同几何参数的五模结构单元通过分层布设构成宽频水声透镜；所述宽频水声透镜在二维平面上具有中心轴对称性；通过优化宽频水声透镜梯度折射率分布和优化五模结构单元，使宽频水声透镜满足广义纵波全透射阻抗匹配条件，从而实现宽频水声透镜能够在水下环境中针对声波实现宽带、高增益、高效率的聚焦功能；所述的五模结构单元采用正方拓扑构型作为五模结构单元基本构型，其晶格常数为a,且由四个相同的梯形和四个细长的连接梁组成；所述的梯形上底边长度为L1，下底边长度为L2，高为t1，斜边与高的夹角为θ；所述的细长连接梁的宽为t0，两端连接着相邻梯形的上底边中点，其长度取决于五模结构单元晶格常数和梯形的高,为所述的五模结构单元的四个梯形不能相交重叠，几何结构参数同时满足如下限制：和θ≤π4；所述优化宽频水声透镜梯度折射率分布包括如下步骤，步骤一：根据所述的五模结构单元基本构型，依据如下公式，计算不同几何结构参数下的等效质量密度： 其中：ρeff是五模结构单元的等效质量密度；ρm是五模结构单元的母材材料密度；步骤二：根据所述的五模结构单元基本构型，采用动态等效方法提取不同几何结构参数下的等效参数，包括等效弹性张量分量等效声阻抗Zeff、等效折射率neff，等效五模特征指数和步骤三：根据步骤二计算得到的等效参数，为提高水声透镜聚焦效率，选择能够与水纵波阻抗匹配的五模结构单元具体尺寸组合，建立结构数据库；步骤四：从宽频水声透镜梯度折射率分布优化结果中，选择一组变量p和q确定水声透镜的折射率函数并将折射率分层离散处理，分为N层；步骤四实现方法如下，宽频水声透镜采用圆形二维宽频水声透镜分层结构，在二维平面上具有中心轴对称性，折射率沿径向梯度分布，满足其中，R是透镜半径，r是距离透镜中心的距离，nr是透镜介质和背景介质水之间的相对折射率比；常数项p和q为优化变量，通过对所述的变量p和q进行优化，根据聚焦性能判据，确定在指定频率范围[f1,f2]内宽频水声透镜聚焦性能优于传统Luneburg透镜的变量分布范围；所述的分布范围即为所述的宽频水声透镜折射率的选择范围；步骤五：将圆形透镜径向分成N层，每一层满足离散处理的折射率，然后将每一层进行近似的像素化方格划分处理，划分的网格尺寸为Ma,M为正整数；步骤六：从步骤三中建立的结构数据库中，挑选满足每一层离散折射率需求的单元结构，从而拼接组成水声透镜。

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