CN104505088A

CN104505088A - 一种基于位移本征模式的声波聚焦器件

Info

Publication number: CN104505088A
Application number: CN201510010200.XA
Authority: CN
Inventors: 孙宏祥; 夏建平
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2015-04-08

Abstract

本发明属于声学超材料领域，提供了一种基于位移本征模式的声波聚焦器件。本发明公开的声波聚焦器件为金属环状结构浸没在水中，金属环状结构的材料为铜、铁、钢、铝、锌、金、银、镍及合成金属材料；所述结构声聚焦效果优异，焦点在环状结构中心点，能量集中；频率覆盖范围宽，聚焦频率的变化范围在100Hz～1GHz；声聚焦效应适用范围广，可适用于圆环结构，正方形或椭圆环状结构；结构简单易实现，尺寸适中，易加工，易集成。

Description

一种基于位移本征模式的声波聚焦器件

技术领域

本发明属于声学超材料领域，尤其是一种基于位移本征模式的声波聚焦器件。

背景技术

声波是现实生活中常见的能量载体，如果声波聚焦效应可以实现，可运用于各种需要对声能量实现特殊控制的重要场合，例如：医学聚焦超声治疗、建筑声学、海洋声学等。因此，声波聚焦效应的研究具有十分重要的学术价值和应用前景。

实现声波聚焦的有效方法是设计负折射率逐渐变化的声波聚焦透镜，通过相位调控使得入射声波汇聚在一点。目前，研究人员主要利用声子晶体与声超材料设计声波聚焦透镜。

基于声子晶体的聚焦透镜，主要通过调节声子晶体单元尺寸与晶格常数实现聚焦效应。但声子晶体所能提供的负折射率很低，虽然可以通过增加声子晶体的层数来提高负折射率，却不可避免地造成聚焦透镜尺寸较大。

声超材料拥有自然界材料所不具备的负折射率特性，通过排列大小逐渐变化的具有负折射效应的声超材料，如：十字型结构、空间折叠结构及雪花型结构，建立折射率逐渐变化的聚焦透镜，可以实现声聚焦效应。声超材料具有较高的负折射率和较小的阻抗失配，从而使得超薄、高效的声波聚焦透镜成为可能，然而结构较复杂，不易加工实现。

传统技术的缺点是：

(1)上述两种声波聚焦透镜，焦点不是一个点，而是一个面积较大的斑，聚焦效果有待改进；(2)基于声子晶体的声波聚焦透镜，层数较多，尺寸较大；(3)基于声学超材料的声波聚焦透镜，结构复杂，不易制造。

导致传统技术缺陷的原因有：

(1)上述两种类型声波聚焦透镜均利用声负折射效应，设计负折射率逐渐变化结构，进而对声波相位进行调制，以实现声波聚焦效应,该机制所实现的声波聚焦效应，在垂直于声波传播方向较好，在沿着声波传播方向较差，因此，焦点不是一个点，而是一个面积较大的斑；

(2)基于声子晶体的聚焦透镜，声子晶体的负折射率很低，虽然可以通过增加声子晶体的层数来提高负折射率，但不可避免地造成透镜系统的尺寸很大；

(3)基于声学超材料的聚焦透镜，设计具有负折射率的声超材料结构，如：十字型结构，空间折叠结构及雪花型结构。在此基础上，将不同结构参数的声超材料单元结构进行排列，从而得到负折射率梯度变化的聚焦系统。虽然声聚焦透镜系统的聚焦效果很好，但结构较为复杂，不易实现。

发明内容

针对传统声聚焦器件聚焦效果差，尺寸大、结构复杂、不易加工等技术难题，本发明提出一种聚焦效果优异、频率覆盖范围宽、结构简单易实现的声波聚焦环状结构。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种基于位移本征模式的声波聚焦器件，包括金属环状结构和水，所述金属环状结构浸没在水中，外径R＝3.0μm～6.0m，内径r＝2.5μm～5.0m；

所述金属环状结构的材料为铜、铁、钢、铝、锌、金、银、镍及合成金属材料；

所述环状结构的形状可选择为圆形、正方形、椭圆形。

将金属环状结构浸没在水中，金属环状结构内外两侧均是水，当声波入射到环状结构的外表面时，在一些特定的频率，可以在金属环状结构的中心产生聚焦现象。

所述声波聚焦器件的声聚焦频率范围在100Hz～1GHz。

所述声波聚焦器件，能够用于医学聚焦超声治疗仪器(聚焦超声妇科治疗仪、聚焦超声肿瘤治疗仪)、海洋声学探测器(黑匣子信号探测器)。

在本发明中，采用有限元方法数值模拟声波聚焦性能。

本发明的有益效果是：

(1)声聚焦效果很好

现有的声聚焦透镜所实现的焦点不是一个点，而是一个面积较大的椭圆斑，声波聚焦效果较差。本专利技术所提出的声聚焦环状结构，焦点在环状结构中心点，能量非常集中。

(2)声聚焦频率范围广

本专利技术所提出的环状结构的聚焦频率范围很广，当环状结构尺寸变小，声聚焦的频率增大。可高达近1GHz左右，当环状结构尺寸变大，声聚焦的频率增大。可低至100Hz左右。如果在进一步减小和增大圆环尺寸，聚焦频率的变化范围在100Hz～1GHz之间。

(3)基于位移本征模式聚焦机制适用范围广

本专利技术所提出的基于位移本征模式的声聚焦效应适用范围广，除了可用于圆环结构，还可适用于正方形、椭圆形等类型的环状结构。

(4)聚焦器件结构简单

传统的聚焦器件的尺寸较大，结构复杂，不易加工实现。本专利技术所提出的声聚焦环状结构，尺寸适中，结构简单易加工制备，易集成，有利于推广应用。

附图说明

图1为本发明所述的浸没在水中的金属环状结构示意图；

图2(a)平面波与(b)球面波激发黄铜圆环结构产生的声压分布图，黄铜圆环结构中位移变形图(c)平面波与(d)球面波，入射声波频率为181.7kHz；

图3入射声波频率为(a)123.7kHz与(b)152.7kHz球面波激发黄铜圆环结构产生的声压分布图；

图4为球面波激发黄铜圆环结构产生的声压分布图：(a)R＝3.0μm，r＝2.5μm，频率为965.0MHz；(b)R＝6.0m，r＝5.0m频率为190.6Hz；

图5球面波激发(a)正方形黄铜环状结构(a1＝12.5mm,a2＝15.0mm,频率为126.1kHz)与(b)椭圆形黄铜环状结构(b1＝15.0mm,b2＝20.0mm,b3＝25.0mm,b4＝30.0mm,频率为204.2kHz)产生的声压分布图；

图6入射声波频率为(a)106.0kHz与(b)155.0kHz球面波激发铝圆环结构(R＝35.0mm，r＝30.0mm)产生的声压分布图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

如图1所示，采用有限元数值方法建立浸没在水中的金属环状结构模型，计算声波聚焦的性能。其中金属环状结构选用黄铜圆环结构，圆环外径R＝30.0mm，内径r＝25.5mm。计算所用的材料参数分别为：黄铜的密度8400kg/m³，纵波速度4400m/s及横波速度2200m/s；水的密度998kg/m³及声速1483m/s。

图2(a)为181.7kHz的平面波激发黄铜圆环结构产生的声压分布图，平面波的位置为左侧边界(x＝-40mm)，可以看出，入射平面波在圆环中心聚焦，形成一个圆形的焦点。

为了说明任意方向的入射声波激发圆环结构都会产生聚焦效应，采用球面波入射，球面波的位置为左侧边界中点[坐标为(-40mm,0)]，图2(b)为181.7kHz的球面波激发黄铜圆环结构产生的声压分布图，入射球面波同样在圆环中心聚焦，形成一个圆形的焦点。

为了说明声波聚焦的物理机制，我们计算得到频率为181.7kHz的平面波与球面波激发黄铜圆环结构的位移变形图，如图2(c)和2(d)，黑色箭头表示位移本征模式的振动方向。可以看出，两种情况的位移本征模式相同，本征模式的振动方向沿着黄铜圆环结构的径向，在本征模式作用下，入射声波在黄铜圆环结构内部的传播方向发生改变，声波传播方向均指向圆环中心，进而在圆环中心聚焦成一点。

除了频率181.7kHz以外，黄铜圆环结构还可在其他多个本征频率实现声波聚焦，图3(a)和3(b)分别表示频率为123.7kHz与152.7kHz的球面波激发黄铜圆环结构产生的声压分布图，可以看出，入射球面波同样在圆环中心聚焦，形成一个圆形的焦点。

实施例2

从图2与图3的结果可以得到：当黄铜圆环的结构参数为R＝30.0mm与r＝25.5mm时，聚焦频率出现在100kHz左右。

现保持黄铜和水的材料参数不变，变化黄铜圆环的内外半径，声波聚焦的本征频率会发生变化。如图4(a)和4(b)所示，黄铜圆环内外半径为R＝3.0μm与r＝2.5μm时，声波聚焦的本征频率可高达965.0MHz，而当黄铜圆环内外半径为R＝6.0m与r＝5.0m时，声波聚焦的本征频率可低至190.6Hz，说明本发明所提出的环状结构聚焦频率范围很广，只要调整环状结构的内外半径，即可得到不同频率的声聚焦效应。

实施例3

此外，除了圆形金属环状结构外，本发明所提出的声聚焦机制还可以适用于不同形状的金属环状结构，图5(a)表示频率为126.1kHz球面波激发正方形黄铜环状结构产生的声压分布图；图5(b)表示频率为204.2kHz球面波激发椭圆形黄铜环状结构产生的声压分布图，计算中正方形黄铜环状结构参数为a1＝12.5mm,a2＝15.0mm；椭圆形黄铜环状结构参数为b1＝15.0mm,b2＝20.0mm,b3＝25.0mm,b4＝30.0mm；黄铜和水的参数与图2相同，可以看出，入射球面波在环状结构的内部聚焦。说明本发明所提出的基于位移本征模式的声聚焦机制可适用于不同形状的环状结构。

实施例4

除了黄铜之外，本发明所提出的声聚焦机制还可以适用其他金属材料的环状结构，图6(a)和6(b)分别表示频率为106.0kHz与155.0kHz的球面波激发铝圆环结构产生的声压分布图，圆环外径R＝35.0mm，内径r＝30.0mm。计算所用的材料参数分别为：铝的密度2700kg/m³，纵波速度6260m/s及横波速度3080m/s；水的密度998kg/m³及声速1483m/s。可以看出，入射球面波同样在铝圆环中心聚焦，形成一个圆形的焦点。说明本发明所提出的基于位移本征模式的声聚焦机制可适用于不同金属材料的环状结构。

所述实施例为本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于位移本征模式的声波聚焦器件，其特征在于，包括金属环状结构和水，所述金属环状结构浸没在水中，所述金属环状结构外径R＝3.0μm～6.0m，内径r＝2.5μm～5.0m。

2.根据权利要求1所述的声波聚焦器件，其特征在于：所述金属环状结构的材料为铜、铁、钢、铝、锌、金、银、镍及合成金属材料。

3.根据权利要求1所述的声波聚焦器件，其特征在于：所述环状结构的形状为圆形、正方形或椭圆形。

4.根据权利要求1所述的声波聚焦器件，其特征在于：所述声波聚焦器件的声聚焦焦点在环状结构中心点。

5.根据权利要求1所述的声波聚焦器件，其特征在于：所述声波聚焦器件的声聚焦频率范围在100Hz～1GHz。

6.根据权利要求1所述的声波聚焦器件，其特征在于，能够用于医学聚焦超声妇科、肿瘤治疗仪器，海洋声学探测器，如黑匣子信号探测器。