CN107492370A - 一种可调节声波聚焦的超表面结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可调节声波聚焦的超表面结构，该结构由螺旋结构旋拧进设有孔洞的圆盘底座中而形成，通过调控所述螺旋结构旋拧进所述孔洞的深度变化，实现透射声波相位在2π范围内变化，通过调节所述透射声波相位，使得所述透射声波在某一点处达到最强，用于实现声波的聚焦。本发明通过螺旋结构与穿孔圆盘组合得到可调的螺旋声通道，通过调节螺旋声通道可以达到调节透射波相位的目的，通过相位的任意操控可以实现宽频声聚焦。本发明首次实现了超表面的宽频可调声聚焦，在实际应用中具有重要意义。

Description

一种可调节声波聚焦的超表面结构

技术领域

本发明涉及声学技术领域，尤其涉及一种可调节声波聚焦的超表面结构。

背景技术

超表面是在超材料领域最新发展的方向和研究热点之一。2011年通过超表面实现了异常电磁波的透射和反射，对传统电磁波折射定律拓展的工作在美国《科学》杂志发表后引起了广泛的关注。超表面是一种平面型超材料，它具有亚波长的厚度，通过改变表面的相位梯度分布，可实现对电磁波和声波透射与反射性质的灵活调控。通过超表面可实现异常折射、异常反射、汇聚成像、矢量波束生成、传播波向表面波转化等新颖物理效应。

传统超材料一经设计便无法再次改变，其结构形式，操作频率以及应用范围是固定的。这大大限定了超材料的适用性。如果实现对超材料的主动控制则可以通过主动调控的方式来实现对电磁波和声波的任意调控。这有利于制作灵活可控的电磁和声学器件。主动控制的机理是多种多样的，如数字编码调控，压电开关调控，结构变形调控以及形状记忆合金调控等。可调控超表面的研究刚刚兴起还未得到充分的研究，在声学领域中更甚。

发明内容

本发明提供了一种可调节声波聚焦的超表面结构，通过3D打印而成的螺旋结构被旋拧进圆盘的孔洞当中，是一种类似于旋拧螺丝的新的调控机理。螺旋结构与圆盘之间形成的螺旋声通道可以通过旋拧深度进行调整，从而实现对声波相位的连续任意控制。这种可调超表面可以实现对声波的聚焦，且聚焦的焦点和频率都是可调的。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种可调节声波聚焦的超表面结构，该结构由螺旋结构旋拧进设有孔洞的底座中而形成，通过调控所述螺旋结构旋拧进所述孔洞中的深度变化，实现声波的聚焦。

进一步地，所述螺旋结构由两片相对的扇叶绕中心轴盘旋而形成。

进一步地，所述底座为圆盘，所述圆盘设有四层圆周向排列的孔洞，所述孔洞内壁设有与所述螺旋结构吻合的螺纹。

进一步地，所述圆盘上四层孔洞的数量由内而外分别为1个，6个，12个，18个。

进一步地，通过调控所述螺旋结构旋拧进所述孔洞的深度变化，实现透射声波相位在2π范围内变化，通过调节所述透射声波相位，使得所述透射声波的强度在某一点处达到最大值。

进一步地，当所述透射声波为平面波，且声波聚焦时，所述平面波透过所述螺旋结构的螺旋通道在相邻层之间的相位差为：

其中，为所述圆盘上第i层孔洞位置透射声波的相位，λ＝C₀/f为声波的波长，C₀为空气中的声速，为所述圆盘上第i层至聚焦点的距离。

进一步地，当所述透射声波为球面波，且声波聚焦时，所述球面波透过所述螺旋结构的螺旋通道在相邻层之间的相位差为：

其中，为所述圆盘上第i层孔洞位置，λ＝C₀/f为声波的波长，c₀为空气中的声速，是所述圆盘上第i层至聚焦点的距离，是所述圆盘上第i层至点声源的距离。

进一步地，所述螺旋结构和所述圆盘均为硬质材料制成。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明通过螺旋结构与穿孔圆盘组合得到可调的螺旋声通道，通过调节螺旋声通道可以达到调节透射波相位的目的。通过相位的任意操控可以实现宽频声聚焦。本发明首次实现了超表面的宽频可调声聚焦，在实际应用中具有重要意义。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种可调节声波聚焦的超表面结构的整体示意图；

图2为本发明提供的一种可调节声波聚焦的超表面结构的螺旋结构示意图；

图3为本发明提供的一种可调节声波聚焦的超表面结构的圆盘示意图；

图4为本发明实施例一提供的基于所述超表面结构模拟透射声波为平面波，透射声波频率为5.5kHz，且焦距为50mm时的聚焦效果示意图；

图5为本发明实施例二提供的基于所述超表面结构模拟透射声波为球面波，透射声波频率为5.5kHz，且焦距为100mm时的聚焦效果示意图。

【附图标记】

1圆盘；2螺旋结构；3孔洞。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

图1为本发明提供的一种可调节声波聚焦的超表面结构的整体示意图；如图1所示：

本发明提供一种可调节声波聚焦的超表面结构，该结构由螺旋结构2旋拧进设有孔洞3的底座1中而形成，通过调控所述螺旋结构2旋拧进所述底座1中的深度变化，实现声波的聚焦。

图2为本发明提供的一种可调节声波聚焦的超表面结构的螺旋结构示意图；如图2所示：

所述螺旋结构2由两片相对的扇叶绕中心轴盘旋而形成；

所述螺旋结构2由硬质材料制成；

所述螺旋结构2通过3D打印加工得到，加工简单。

所述3D打印的螺旋结构2的几何尺寸为：螺旋结构的外径为D＝32mm，中心柱的直径为d＝8mm，螺旋结构的长度为L＝40mm，螺旋扇叶的厚度为h＝1mm，螺旋结构的螺距为P＝10mm。

图3为本发明提供的一种可调节声波聚焦的超表面结构的圆盘示意图；如图3所示：

所述底座为圆盘1，所述圆盘1设有四层圆周向排列的孔洞3，所述孔洞3内壁设有与所述螺旋结构2吻合的螺纹；

所述圆盘1由硬质材料制成；

所述圆盘1通过机械加工得到，加工简单。

所述圆盘1上四层孔洞3的数量由内而外分别是1个，6个，12个，18个；

在所述的孔洞内壁上通过螺纹切削的方式得到深度为1mm的浅螺纹。

所述圆盘1的几何尺寸为：圆孔直径为30mm，孔内螺纹的深度为t＝1mm，第二层圆孔至盘中心的距离为x₂＝50mm，第三层圆孔至盘中心的距离为x₃＝100mm，第四层圆孔至盘中心的距离为x₄＝150mm，圆盘的半径为x_d＝190mm。

本发明中，通过调控螺旋结构2旋拧进圆盘孔洞3的深度变化，实现透射声波相位在2π范围内变化，通过调节所述透射声波相位，使得所述透射声波在某一点处达到最强，用于实现声波的聚焦。

所述透射声波不受限定，既可以是平面波也可以是从一个点出发出的球面波或柱面波。

所述超表面结构可实现宽频声聚焦，即透射声波在一定频率范围内变化时都能实现声聚焦。

通过调节所述3D打印的螺旋结构2旋拧进圆盘孔洞3的深度可以实现聚焦点位置的任意变化。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一：

图4为本发明实施例一提供的基于所述超表面结构模拟透射声波为平面波，透射声波频率为5.5kHz，且焦距为50mm时的聚焦效果示意图；

若透射声波为平面波且焦距为x_f时，声波透过螺旋通道在相邻层之间的相位差需满足如下公式(1)：

其中，为所述圆盘上第i层孔洞位置透射声波的相位，λ＝C₀/f为声波的波长，C₀为空气中的声速，为所述圆盘上第i层至聚焦点的距离。在调节每层螺旋体的旋拧深度时，透射声波的相位需满足以上关系。

在实际中，当透射声波是平面波，透射波频率为f＝5.5KHz，且焦距为x_f＝50mm，将以上数据带入公式(1)，则每层透射波与第一层透射波的相位差为为满足这样的相位差，这四层螺旋体旋拧进圆盘的深度分别为28mm，22.8mm，28mm和32.8mm。在完成以上调整后，所述超表面可实现对5.5kHz入射平面波在50mm处聚焦。其他频率或焦点位置的聚焦结果也可以根据此过程对螺旋体进行合理调整得到。

实施例二：

图5为本发明实施例二提供的基于所述超表面结构模拟透射声波为球面波，透射声波频率为5.5kHz，且焦距为100mm时的聚焦效果示意图。

若声波从一个点源发出，透射声波为球面波且焦距为xf时，声波透过螺旋通道在相邻层之间的相位差需满足如下公式(2)：

其中，为所述圆盘上第i层孔洞位置透射声波的相位，λ＝C₀/f为声波的波长，c₀为空气中的声速，是所述圆盘上第i层至聚焦点的距离，是所述圆盘上第i层至点声源的距离。

在实际中，声波从点源发出，入射波为球面波，声源距离为x_s＝150mm，入射波频率为f＝5.5KHz，且焦距为x_f＝100mm时，将以上数据带入公式(2)，我们可以得到每层螺旋体与第一层螺旋体透射声波的相位差分别是相应的，四层螺旋体旋拧进圆盘的深度分别为32mm，27.6mm，29mm和28mm。在此实施例中声波从点源发出经过超表面后仍可聚焦且焦距为100mm。其他频率与焦点位置的聚焦结果同样可以通过调节螺旋体的旋拧深度来获得。

本领域技术人员应能理解上述圆盘的孔洞数量仅为举例，其他现有的或今后可能出现的上述圆盘的孔洞数量如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

本领域技术人员应能理解上述圆盘和螺旋结构的材质仅为举例，其他现有的或今后可能出现的上述圆盘和螺旋结构的材质如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

本领域技术人员应能理解上述圆盘和螺旋结构的制作方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的上述圆盘和螺旋结构的制作方式如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

综上所述，本发明实施例提出一种可调的螺旋结构超表面，3D打印的螺旋结构被旋拧进圆盘的孔洞当中，这是一种类似于旋拧螺丝的新的调控机理。螺旋结构与圆盘之间形成的螺旋声通道可以通过旋拧深度进行调整，从而实现对声波相位的连续任意控制。这种可调超表面可以实现对声波的聚焦，且聚焦的焦点和频率都是可调的。据我们所知，这是目前首次在理论和实验上实现连续可调的声学超表面。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种可调节声波聚焦的超表面结构，其特征在于，该结构由螺旋结构旋拧进设有孔洞的底座中而形成，通过调控所述螺旋结构旋拧进所述孔洞中的深度变化，实现声波的聚焦。

2.根据权利要求1所述的超表面结构，其特征在于，所述螺旋结构由两片相对的扇叶绕中心轴盘旋而形成。

3.根据权利要求2所述的超表面结构，其特征在于，所述底座为圆盘，所述圆盘设有四层圆周向排列的孔洞，所述孔洞内壁设有与所述螺旋结构吻合的螺纹。

4.根据权利要求3所述的超表面结构，其特征在于，所述圆盘上四层孔洞的数量由内而外分别为1个，6个，12个，18个。

5.根据权利要求4所述的超表面结构，其特征在于，通过调控所述螺旋结构旋拧进所述孔洞的深度变化，实现透射声波相位在2π范围内变化，通过调节所述透射声波相位，使得所述透射声波的强度在某一点处达到最大值。

6.根据权利要求5所述的超表面结构，其特征在于，当所述透射声波为平面波，且声波聚焦时，所述平面波透过所述螺旋结构的螺旋通道在相邻层之间的相位差为：

其中，为所述圆盘上第i层孔洞位置透射声波的相位，λ＝C₀/f为声波的波长，C₀为空气中的声速，为所述圆盘上第i层至聚焦点的距离。

7.根据权利要求6所述的超表面结构，其特征在于，当所述透射声波为球面波，且声波聚焦时，所述球面波透过所述螺旋结构的螺旋通道在相邻层之间的相位差为：

其中，为所述圆盘上第i层孔洞位置透射声波的相位，λ＝C₀/f为声波的波长，c₀为空气中的声速，是所述圆盘上第i层至聚焦点的距离，是所述圆盘上第i层至点声源的距离。

8.根据权利要求7所述的超表面结构，其特征在于，所述螺旋结构和所述圆盘均为硬质材料制成。