CN108735197B - 一种局域共振型声学超材料聚焦透镜及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局域共振型声学超材料聚焦透镜及其设计方法，属于声学工程领域。本聚焦透镜是一种由基体、多个局域共振型散射体单元和底座所组成的人工周期性声学结构，其中基体材料可以为空气和水，散射体单元形状呈“十”字形，散射体所组成的周期性阵列结构的外围轮廓呈一个椭圆形状并置于底座上。本发明利用了声子晶体局域共振的基本原理结合了一种新的结构形式，使本发明的声学聚焦透镜相比于现有的声学聚焦透镜，可以在多种介质中和较宽的中低频范围内实现良好的声波聚焦效果。

Description

一种局域共振型声学超材料聚焦透镜及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种局域共振型声学超材料聚焦透镜的设计方法，属于声学工程领域。

背景技术

利用声子晶体原理进行声波聚焦是2000年以来的研究热点，声子晶体一般是由两种或两种以上的不同介质在空间上交替排列所构成的人工周期性结构。当声波传入周期性结构中，波数在布里渊区内周期性出现，从而改变声波的传播特性产生了新的特征。在后续的研究中，人们不断地通过调整声子晶体的材料参数，采用缺陷态的方式或者改变散射体的几何形状引入局部共振等方法来调控声波的传播。这些方法为减振降噪、声学隐身、超分辨声学成像等领域带来了新的突破。

当结构尺度远小于工作波长的声子晶体又被称为声学超材料，局域共振机理正是目前用来实现“小尺寸控制大波长”研究的新方向。基于局域共振机理调整声子晶体的材料参数和几何形状可以在声波中低频范围内得到与传统几何光学聚焦透镜相似的声学聚焦透镜。

经检索，关于实现声学聚焦透镜的设计已有相关专利公开。如专利申请号201510816714.4，公开了名为“一种聚焦声透镜的设计方法”的专利；专利申请号201610589500.2，空开了名为“基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜及其制备方法”的专利。这些专利为声学聚焦都提供了一种新的方法，但具有难以用于低频、设计方法复杂或应用场合少等问题。

本文设计了一种平板局域共振型声学超材料聚焦透镜，可以在较宽的低频范围内实现声学聚焦的功能，易于其它器件联合使用，为声学聚焦领域提供了一种新的设计方法。

发明内容

(1)发明目的

本发明的目的在于提供一种可以在较宽低频范围内使用的局域共振型声学超材料聚焦透镜的设计方法，实现与传统几何光学聚焦透镜相似的声学聚焦透镜。

(2)技术方案

本发明的局域共振型声学超材料聚焦透镜，包括底座和元胞，所述元胞为周期性结构，按固定间距排列在底座上，元胞周期排列构成的主体外轮廓为椭圆形，椭圆形的短轴和长轴之比为1:1.8～2.2，所述元胞包括：散射体单元和基体材料，散射体单元作为元胞的主体，周期性排列在底座上；基体材料作为声波的传播介质，充满散射体单元周围。

基体材料可以为空气和水，是声波的传播介质，表明此声学聚焦透镜可以在空气和水中实现同样的效果。

散射体一般为结构钢或相对于基体材料声阻抗较大的其它材料，即散射体声阻抗大于或等于25倍基体材料声阻抗，散射体单元的整体形状呈对称的“十”或选旋转一定角度的“×”字形，散射体以正方晶格形式按固定间距a进行周期性排列，这里注意的是在同一个局域共振型声学超材料聚焦透镜中所有散射体参数需保持一致。

散射体单元的高度h大于或等于四倍的元胞晶格常数a。散射体单元的个数为N个，N一般大于等于或略小于263个，大于此个数对声波聚焦效果的提升作用不明显，小于此个数声波聚焦效果衰减明显。

散射体和基体材料所组成的局域共振型声学超材料聚焦透镜的主体外轮廓为椭圆形，建议椭圆形的长轴和短轴之比为2：1，其相对误差范围不超过建议比值的10％。

在本发明的一些实施例中，底座用于固定透镜整体位置和散射体单元的位置。

本发明提供了一种局域共振型声学超材料聚焦透镜的制作方法，用于上述的局域共振型声学超材料聚焦透镜，包括选择基体材料、散射体单元形状设计和底座。

(3)有益效果

采用本发明提供的设计方法，与现有的技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明首次使用“十”字类型的局域共振型单元用于声学聚焦透镜，使声波的工作频率范围拓向了中低频，实现了小结构控制大波长的效果，同时本发明局域共振型声学超材料聚焦透镜的结构尺度越大，控制的波长可以越长。

2.本发明采用了类似几何光学透镜的椭圆形外部轮廓，使声学聚焦透镜具有较宽的工作频率范围，可以在较宽的频率范围内实现声波的聚焦效果，为声学聚焦提供了一种新的结构设计方式。

3.本法明的局域共振型声学超材料聚焦透镜制作和使用方法简单，整个透镜结构本身只需一种材料即可制成，在水或空气中都可以实现声学聚焦的效果，成本低廉。

附图说明

图1为本发明局域共振型声学超材料聚焦透镜的立体结构示意图；

图2为本发明局域共振型声学超材料聚焦透镜的俯视图和局部放大图；

图3为局域共振型单元结构的示意图；

图4为局域共振型声学超材料聚焦透镜进行声波聚焦的示意图；

图5为声波频率为10500HZ时声场的绝对声压和等值线分布图；

图6为焦点处沿竖直方向的绝对声压分布图；

图7为本发明局域共振型声学超材料聚焦透镜的制作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明析，下面将结合具体实施例并参照附图，对本发明进一步详细说明。这里需要说明的是：在附图或说明书的描述中，相同的部分都使用相同的图号。此外，虽然在本发明中提供了特定的参数，但应了解，参数无需确切等于相应的值，可在接受的误差范围和设计约束内近似等于相应的值。

本发明实施例中提供了一种局域共振型声学超材料聚焦透镜，如图1所示，图1是本发明局域共振型声学超材料聚焦透镜的立体结构示意图，该聚焦透镜包括散射体单元1和固定散射体单元1位置的底座3，散射体单元1周围充满了声波的传播介质即基体材料2，基体材料2可以为水或空气，表明本发明可以在水或空气中可以产生同样的效果。

底座3是厚度为d的结构钢板，底座用于固定散射体单元的间隔和位置，厚度大小足以支撑起结构即可。

如图2所示，散射体单元1和基体材料2按正方晶格的形式周期性排列组成了声学超材料聚焦透镜的主体功能部分。一共263个散射体单元1按间隔晶格常数a排列成了一个椭圆形状，椭圆形状如图2的虚线所示，其中椭圆的长轴为520mm，短轴为260mm。在本发明中在保证长轴和短轴之比为2：1左右的情况下，可以改变椭圆形的面积大小来增加或适当减少散射体单元1的个数。

散射体单元1和基体材料2共同组成的重复性结构称为元胞，如图3所示。散射体单元镶嵌在元胞之中，散射体单元1在图3和图2中均以阴影部分表示出，空白部分为基体材料2，散射体单元1的结构形状呈对称的“十”字型或旋转一定角度的“×”型，这里注意的是在同一个局域共振型声学超材料聚焦透镜中所有散射体单元1的参数需保持一致，如散射体单元1全部为“十”字型或全部为“×”字型。

散射体单元1的结构参数会影响整个局域共振型声学超材料聚焦透镜的性能。散射体单元1的参数有a、b、c和旋转角度等，其中a常被称为原胞的晶格常数，所述散射体单元的高度h大于或等于四倍的元胞晶格常数a。在本发明中a＝20mm，b＝8mm，c＝18mm。这些参数的改变会改变元胞的能带结构。需要说明的是这里只是示例性说明，不限于本发明中散射体单元1的具体形状和结构参数。

根据要求的工作频率范围f，可以通过改变散射体单元1的参数a、b、c或散射体单元1的角度使本发明局域共振型声学超材料使用频率符合工作频率f。在设计初始参数时，可根据声波波长λ＝10a和b、c≤a两个条件确定一个散射体单元1的初始参数，后续还可通过旋转散射体单元1的角度进一步调节聚焦透镜的性能。本发明的局域共振型声学超材料聚焦透镜相对于现有的聚焦透镜可以在同样的结构尺度下对较低频率范围内的声波进行聚焦，且存在一个最佳的工作频率f₀。当工作频率降到非常低即波长很长，超出了本发明聚焦透镜的工作频率范围，通过改变散射体单元1的结构参数已无法满足要求时，需要相应地成倍放大散射体单元1的结构尺寸来实现声波聚焦。

本发明局域共振型声学超材料聚焦透镜为左右对称结构形式，左右两端方向均可使用，声波从短轴方向入射。

本发明利用了声子晶体局域共振和折射聚焦的基本原理，当声波进入本发明的局域共振型声学超材料聚焦透镜时，声波能量会沿散射体单元1特征频率变化最大的梯度方向传播，使本发明的声学聚焦透镜具有较宽的低频工作性能。声波聚焦的工作原理如图4描绘所示，曲线和箭头指明了声波传播的迹线。在聚焦透镜左(右)端施加工作频率为f范围内的平面声波，声波经基体材料2传入聚焦透镜过后，与各个散射体单元1发生相互作用，然后声波发生折射并在声学超材料聚焦透镜右端(左)发生声波聚焦并存在一个聚焦点。

图5是声波频率为10500Hz时,基于有限元计算方法计算得到的本发明声学聚焦透镜内及其周围产生的绝对声压强度和等值线分布图。与图4的的工作原理绘图相对应，本发明声学聚焦透镜的右端产生了声波聚焦现象并存在一个焦点，焦点处的绝对声压强度最大，然后沿x轴正方形和Y轴方向即离焦点的距离增大，绝对声压强度逐渐减小。

图6是声波工作频率为10500Hz时，焦点处绝对声压强度沿y轴方向的分布图，焦点中心处声压值最大，沿y轴正负两方向逐渐减小。

如图7所示，本发明另一实施例中提供了一种简单有效的局域共振型声学聚焦透镜的设计方法，其制作流程如下：

步骤1.选定目标工作频率范围f，选定工作场所即选定基体材料；

步骤2.根据波长，初步确定散射体单元1形状、个数和结构的参数；可根据声波波长λ＝10a和b、c≤a两个条件确定一个散射体单元1的初始参数，后续还可通过旋转散射体单元1的角度进一步调节聚焦透镜的性能；

步骤3.利用数值计算方法得到局域共振型元胞的能带结构，对比能带结构，确定工作频率f是否在声学聚焦透镜的可用范围内，如果不在频率范围内，返回步骤二，直到条件满足为止；

步骤4.制备一块合适大小和厚度的底座，并在底座上根据晶格常数、结构参数和椭圆大小确定出散射体单元1的位置，根据散射体单元1的位置和结构参数对底座挖空，以便预留出散射体单元1的安装位置。

步骤5.制作散射体单元1，并按正方晶格形式周期性排列形成声学聚焦透镜阵列，然后将散射体阵列安装到预留位置处。

具体的，条件允许的情况下，步骤4、5可以合为一步，例如利用3D打印技术对局域共振型声学超材料聚焦透镜进行整体制作。

综上所述，本发明提供了一种局域共振型声学聚焦透镜的设计和制作方法，能够在较宽的低频率范围内实现声波聚焦的功能，以上所述仅是本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种局域共振型声学超材料聚焦透镜，其特征在于包括：底座和元胞，所述元胞为周期性结构，按固定间距排列在底座上，元胞周期排列构成的主体外轮廓为椭圆形，椭圆形的短轴和长轴之比为1:1.8~2.2，

所述元胞包括：

一个散射体单元，作为元胞的主体，周期性排列在底座上；

基体材料，作为声波的传播介质，充满散射体单元周围；

所述的散射体单元呈对称的正“十”字形，散射体单元的中心为元胞的中心，散射体单元以任意旋转角度排列在元胞内，所有元胞内的散射体单元的旋转角度相同；散射体单元之间按固定间距进行周期性排列；

所述的基体材料为水或空气。

2.根据权利要求1所述的局域共振型声学超材料聚焦透镜，其特征在于所述的元胞为正方晶格的形式。

3.根据权利要求1所述的局域共振型声学超材料聚焦透镜，其特征在于所述散射体单元的高度h大于或等于四倍的元胞晶格常数a。

4.根据权利要求1所述的局域共振型声学超材料聚焦透镜，其特征在于所述的散射体单元声阻抗大于或等于25倍基体材料声阻抗。

5.一种如权利要求1所述局域共振型声学超材料聚焦透镜的设计方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1. 选定目标工作频率范围f，选定工作场所即选定基体材料；

步骤2. 根据波长，确定散射体单元形状、个数和结构的参数 ；

步骤3. 利用数值计算方法得到步骤2确定的局域共振型元胞的能带结构，对比能带结构，确定工作频率f是否在声学聚焦透镜的可用范围内，如果不在频率范围内，返回步骤二，直到条件满足为止；

步骤4. 制备底座，并在底座上根据晶格常数、结构参数和椭圆大小确定出散射体单元的位置，根据散射体单元的位置和结构参数对底座挖空，预留出散射体单元的安装位置；

步骤5. 制作散射体单元，并按正方晶格形式周期性排列形成声学聚焦透镜阵列，然后将散射体阵列安装到预留位置处。