摘 要

超材料是由亚波长人工微结构单元构成的、具有自然材料所不具备的物理特性的复合结构或材料。近年来，有许许多多的研究者们发现可以利用超表面来实现对散射电磁波的反射和折射方向的偏折，这也成为了热点课题。参照光学超表面设计出的声学超表面，可用于可调谐波前重定向，聚焦不同波长和声源错觉，以及隐藏覆盖物体使其隐身等方面。本文首先介绍了超材料、超表面等的相关概念，并讲诉了超表面隐身技术的发展与研究现状。接着，我们提出了一种能在水下实现对声波隐形的隐身地毯，我们设计了一个可以控制这声波的局部反射相位的超表面单元。利用该超表面单元，便可设计出一个超表面地毯，该地毯提供了额外的相位，以补偿由凸块引起的相位失真，从而恢复反射波，就好像入射波撞击到平面上一样。同时，我们也将在有限元软件COMSOL MULTIPHYSICS模拟仿真进行对比来说明可以用超表面地毯将物体隐藏在声波下。在需要使物体“隐身”的水下声波领域，该超表面隐身地毯将会是一个很好的设计。

关键词：隐身;超表面;声波;隐身地毯

Abstract

Metamaterials are composite structures or materials that are composed of subwavelength artificial microstructural units and have physical properties not found in natural materials. In recent years, a large number of researchers have found that the reflection and refraction of scattered electromagnetic waves can be achieved by using the metasurface, which has also become a hot topic. An acoustic metasurface, designed with reference to an optical metasurface, can be used for tunable harmonic pre-redirection, focusing on different wavelength and sound source illusions, and hiding covered objects to make them invisible. This paper first introduces the related concepts of metamaterials and metasurfaces, and describes the development and research status of metasurface stealth technology. Next, we propose an underwater stealth carpet that can be invisible to sound waves, and we design a metasurface unit that can control the local reflective phase of the sound waves. With this metasurface unit, a metasurface carpet can be designed that provides an additional phase to compensate for the phase distortion caused by the bump, thereby restoring the reflected wave as if the incident wave had hit the plane. At the same time, we will also compare the finite element software COMSOL MULTIPHYSICS simulation to illustrate that the object can be hidden under the sound wave with the metasurface carpet. In the field of underwater sound waves that need to make objects "invisible", this ultrasurface stealth carpet would be a good design. KEYWORDS:invisibility;metasurfac;acoustic wave;carpet of invisibility

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第 1 章 绪论 1

第 2 章 研究背景 2

2.1隐身地毯及其相关概念 2

2.2隐身技术的发展 3

第 3 章 研究内容 5

第 4 章 研究方法 6

第 5 章 研究步骤 7

第 6 章 研究结构分析 12

第 7 章 结论 13

致谢 13

参考文献 13

第一章 绪论

在20 世纪末 21 世纪初，超材料( metamaterial)是物理学、材料学和电磁学等领域出现的一个新学术名词。近年来，有许许多多的研究者们在有关超材料的理论设计、物理特性和潜在应用方面取得了长足的进展。在他们的研究中发现，我们可以利用超表面来实现对散射电磁波的反射和折射方向的偏折^[1]。通过合理的设计与布置，可以对散射电磁波引入额外的相位，从而通过人工的手段来改变反射波或者折射波的传输方向，这就使得这种超表面可用于可调谐波前重定向，聚焦不同波长和声源错觉，以及隐藏覆盖物体使其隐身的方面。随着科学技术的进步和超材料的发展，在科学上可以实现隐身地毯的设计，隐身地毯的种类有很多，它们可以在诸如声波、水波、电磁波等不同类型的波下实现对遮蔽物体的隐身。

在电磁隐身地毯技术的发展与启发下，伴随着声学超材料的提出，水声隐身领域也开始了自己的声隐身地毯技术的研究。通过利用特殊设计的介质构成的保护壳体，声隐身地毯技术人为实现一个使声波扭曲的空间，通过控制声波来使得声波可以绕开被覆盖的区域，以此来实现隐身的新概念隐身技术^[2]。这种技术在理想的情况下，这种新概念的隐身技术能够使得声波绕过目标后无畸变的传播，这种传播现象就如同是光线穿过了一个透明的物体，而达到的效果就如同隐身一样。

而在新概念隐身技术的发展过程中，为了克服超材料的三维加工和金属损耗相关的问题，研究者发现可以将三维超材料压缩成二维的。而超表面正式作为体材料的二维类比，可以被看成二维化的超材料。在广义斯涅耳定理的理论基础下，超表面可以通过相位的累计效应来对声波进行调控，因为其新颖的调控机制和它灵活的结构设计，这种新概念隐身技术展现出了广阔的应用前景^[3]。传统声子晶体、传统超材料以及超表面都是基于功能基元设计和空间序构来对其中波的传播进行操控的，而这所展现出的新奇物理特性都是自然界素不具备的。

本文首先介绍超材料、超表面等的相关概念，并讲诉超表面隐身技术的发展与研究现状。接着，我们提出了一种能在水下实现对声波隐形的隐身地毯，首先我们设计了一个可以控制这声波的局部反射相位的超表面单元。通过利用该超表面单元，便可设计出一个超表面隐身地毯，该地毯提供了额外的相位，以补偿由凸块引起的相位失真，从而恢复反射波，就好像入射波撞击到平面上一样。同时，我们也将在有限元软件COMSOL MULTIPHYSICS模拟进行模拟与实验对比来说明可以用单个超表面隐身地毯将物体隐藏在声波下。在需要使物体“隐身”的水下声波领域，该超表面隐身地毯将会是一个很好的设计。