CN106733573B - 一种三维宽带能量聚焦装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维宽带能量聚焦装置，包含多个闭口单元、多个开口单元。每个闭口单元包含多个间距排列的闭口元件，使每个闭口单元呈圆环形；每个开口元件包含多个间距排列的开口元件，使每个开口单元呈圆环形。从圆心沿径向方向，开口单元、闭口单元间距交替排列，形成三维宽带线能量聚焦装置。从圆心沿径向方向，两个闭口单元、一个开口单元、四个闭口单元、一个开口单元、两个闭口单元间距排列，形成三维宽带点能量聚焦装置。本发明仅采用两种元件的不同组合，通过不同元件在圆周方向的紧密分布，能够将反射声波聚焦到三维空间的制定位置处，实现制备三维宽带能力聚焦装置，能够大大简化现有的复杂结构。
Description
技术领域
本发明涉及声学器件领域，具体涉及一种三维宽带能量聚焦装置。
背景技术
声学聚焦技术可以将声能聚集到焦点，实现焦点处的声压幅度、质点振动速度幅度和声功率达到最大值。声学聚焦技术广泛应用在声学颗粒悬浮或迁移、声学显示设备、医学超声检测和超声手术等领域。目前传统的声聚焦装置通常利用环形阵列布置的多个电声换能器单元实现电信号和声信号的转变进而根据环形构造产生声学聚焦效果，或者利用声学透镜达到对平面声束聚焦的目的。
声学聚焦在超声医疗中有潜在应用，而传统的声学聚焦结构复杂，制造、维护成本，则在超声医疗中使用声学聚焦技术时需要高额的费用以及复杂的声学聚焦结构。
发明内容
本发明的目的在于为了解决现有技术中声学聚焦结构复杂等问题的出现；提供一种三维宽带能量聚焦装置。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种三维宽带能量聚焦装置，其特点是，所述装置包含：多个闭口单元、多个开口单元；
其中，每个所述闭口单元包含间距排列的多个闭口元件，使每个所述闭口单元呈圆环形；每个所述开口元件包含多个间距排列的开口元件，使每个所述开口单元呈圆环形；
所述多个闭口单元与所述多个开口单元呈同心圆式间距排列。
优选地，每个所述开口元件为圆形波导管，所述开口元件的波导宽度d1<f/2c；其中，f为所述三维宽带能量聚焦装置的工作频率，c为空气中声速。
优选地，每个所述闭口元件为将圆形波导管的开口封闭后形成的元件；
所述闭口元件的波导宽度d2<f/2c；其中，f为所述三维宽带能量聚焦装置的工作频率，c为空气中声速。
优选地，所述三维宽带能量聚焦装置用于传播0阶平面声波。
优选地，沿任一条直线的相邻所述开口元件与所述闭口元件到焦点之间的距离为：
li-lj＝0.5λ(i＝1,2,……，j＝1,2,……)；
其中，li为该条直线上第i个开口元件到焦点的距离，lj为第j个闭口元件到所述焦点的距离，所述第i个开口元件与所述第j个闭口元件相邻，λ为入射声波的波长。
并且，
其中，fl和ri分别为焦距和所述第i个开口元件距离圆心的长度；
并且，
其中，rj为所述第j个闭口元件距离所述圆心的长度。
优选地，从所述圆心沿径向方向，所述开口单元、所述闭口单元间距交替排列，形成三维宽带线能量聚焦装置。
优选地，所述三维宽带线能量聚焦装置包含至少四个所述开口单元、至少四个所述闭口单元间距交替排列。
优选地，从所述圆心沿径向方向，两个所述闭口单元、一个所述开口单元、四个所述闭口单元、一个所述开口单元、两个所述闭口单元间距排列，形成三维宽带点能量聚焦装置。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
本发明公开的一种三维宽带能量聚焦装置，包含多个闭口单元、多个开口单元。每个闭口单元包含多个间距排列的闭口元件，使每个闭口单元呈圆环形；每个开口元件包含多个间距排列的开口元件，使每个开口单元呈圆环形。从圆心沿径向方向，开口单元、闭口单元间距交替排列，形成三维宽带线能量聚焦装置。从圆心沿径向方向，两个闭口单元、一个开口单元、四个闭口单元、一个开口单元、两个闭口单元间距排列，形成三维宽带点能量聚焦装置。本发明仅采用两种元件的不同个合，通过不同元件在圆周方向的紧密分布，能够将反射声波聚焦到三维空间的制定位置处，实现制备三维宽带能力聚焦装置，能够大大简化现有的复杂结构。
附图说明
图1为本发明一种三维宽带能量聚焦装置的原理示意图。
图2-1为本发明一种三维宽带能量聚焦装置的实施例一示意图之一。
图2为本发明一种三维宽带能量聚焦装置的实施例一示意图之二。
图3-1为本发明一种三维宽带能量聚焦装置的实施例二示意图之一
图3为本发明一种三维宽带能量聚焦装置的实施例二示意图之二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种三维宽带能量聚焦装置包含：多个闭口单元、多个开口单元；多个闭口单元与多个开口单元呈同心圆式间距排列。
其中，每个闭口单元包含多个间距排列的闭口元件，使每个闭口单元呈圆环形。每个开口元件包含多个间距排列的开口元件，使每个开口单元呈圆环形。
本实施例中，每个开口元件为圆形波导管。并且，开口元件的波导宽度计算方法如下：
d1<f/2c；
其中，f为三维宽带能量聚焦装置的工作频率，c为空气中声速。
每个闭口元件为将圆形波导管的开口封闭后形成的元件。并且，闭口元件的波导宽度计算方法如下：
d2<f/2c；
其中，f为三维宽带能量聚焦装置的工作频率，c为空气中声速。
本发明中，三维宽带能量聚焦装置的工作频率f的范围是3000-7000Hz。
鉴于上述开口元件、闭口元件的波导宽度计算方式，本发明仅限用于单模式声学波导，也即，本发明公开的三维宽带能量聚焦装置用于传播0阶平面声波。
如图1所示，沿任一条直线的相邻开口元件与闭口元件到焦点之间的距离，根据费马原理可知：
li-lj＝0.5λ(i＝1,2,……，j＝1,2,……)；
如图1所示，本实施例中，相位为π处为第i个开口元件，相位为0处为第j个闭口元件。其中，li为该条直线上第i个开口元件到焦点的距离，lj为第j个闭口元件到焦点的距离，第i个开口元件与第j个闭口元件相邻，λ为入射声波的波长。
并且，
其中，fl和ri分别为焦距和第i个开口元件距离圆心的长度；
并且，
其中，rj为第j个闭口元件距离圆心的长度。实施例1
本发明公开的三维宽带能量聚焦装置，从圆心沿径向方向，开口单元、闭口单元间距交替排列，形成三维宽带线能量聚焦装置。
如图2-1所示，本实施例中，三维宽带线能量聚焦装置包含至少四个开口单元10、至少四个闭口单元20间距交替排列。也即本实施例中包含8个波导元件。当波导元件个数增多时，能够拓宽工作的带宽。
当声波入射到三维宽带线能量聚焦装置时，声波会通过开口单元10入口进入到不同的开口单元10中，并由开口单元10底部反射回来，而闭口单元20直接在闭口位置处将声波反射。由于声程不同，对应开口单元10和闭口单元20的相位改变不同；最终反射的声波会重新辐射到三维空间中。由于不同位置处的开口单元10、闭口单元20的相位满足特定的关系，因此可以将声波能量聚集到三维空间指定位置处。由于开口单元10的开口远大于边界层厚度的，可近似忽略粘滞效应，认为反射回来的声波幅值均一，由于开口单元10壁厚远远小于开口单元10的开口尺度，因此由于开口单元10壁厚引起的反射效应可近似忽略。图2为本实施例公开的三维宽带线能量聚焦装置的线聚焦情况数值模拟结果，从图中可知，对于反射声场的聚焦现象，焦域为像针一样的声学线聚焦。
实施例2
如图3-1所示，本发明公开的三维宽带点能量聚焦装置，从圆心沿径向方向，两个闭口单元20、一个开口单元10、四个闭口单元20、一个开口单元10、两个闭口单元20间距排列，形成三维宽带点能量聚焦装置。
当声波入射到三维宽带点能量聚焦装置时，声波会通过开口单元10入口进入到不同的开口单元10中，并由开口单元10底部反射回来，而闭口单元20直接在闭口位置处将声波反射。由于声程不同，对应开口单元10和闭口单元20的相位改变不同；最终反射的声波会重新辐射到三维空间中。由于不同位置处的开口单元10、闭口单元20的相位满足特定的关系，因此可以将声波能量聚集到三维空间指定位置处。由于开口单元10的开口远大于边界层厚度的，可近似忽略粘滞效应，认为反射回来的声波幅值均一，由于开口单元10壁厚远远小于开口单元10的开口尺度，因此由于开口单元10壁厚引起的反射效应可近似忽略。图3为本实施例公开的三维宽带点能量聚焦装置的点聚焦情况数值模拟结果，从图中可知，对于反射声场的聚焦现象，焦域为聚焦点。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种三维宽带能量聚焦装置，其特征在于，所述装置包含：多个闭口单元、多个开口单元；
其中，每个所述闭口单元包含间距排列的多个闭口元件，使每个所述闭口单元呈圆环形；每个所述开口单元包含多个间距排列的开口元件，使每个所述开口单元呈圆环形；
多个闭口单元与多个开口单元呈同心圆式间距排列；
每个所述开口元件为圆形波导管，所述开口元件的波导宽度d1<f/2c；其中，f为所述三维宽带能量聚焦装置的工作频率，c为空气中声速；
每个所述闭口元件为将圆形波导管的开口封闭后形成的元件，所述闭口元件的波导宽度d2<f/2c；其中，f为所述三维宽带能量聚焦装置的工作频率，c为空气中声速。
2.如权利要求1所述的三维宽带能量聚焦装置，其特征在于，所述三维宽带能量聚焦装置用于传播0阶平面声波。
3.如权利要求1所述的三维宽带能量聚焦装置，其特征在于，沿任一条直线的相邻所述开口元件与所述闭口元件到焦点之间的距离差值为：
li-lj＝0.5λ(i＝1,2,……，j＝1,2,……)；
其中，li为该条直线上第i个开口元件到焦点的距离，lj为第j个闭口元件到所述焦点的距离，所述第i个开口元件与所述第j个闭口元件相邻，λ为入射声波的波长；
并且，
其中，fl和ri分别为焦距和所述第i个开口元件距离圆心的长度；
并且，
其中，rj为所述第j个闭口元件距离所述圆心的长度。
4.如权利要求3所述的三维宽带能量聚焦装置，其特征在于，从所述圆心沿径向方向，所述开口单元、所述闭口单元间距交替排列，形成三维宽带线能量聚焦装置。
5.如权利要求4所述的三维宽带能量聚焦装置，其特征在于，所述三维宽带线能量聚焦装置包含至少四个所述开口单元、至少四个所述闭口单元间距交替排列。
6.如权利要求1所述的三维宽带能量聚焦装置，其特征在于，从圆心沿径向方向，两个所述闭口单元、一个所述开口单元、四个所述闭口单元、一个所述开口单元、两个所述闭口单元间距排列，形成三维宽带点能量聚焦装置。
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