CN109102795B - 一种实现深度亚波长成像的声学超透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种实现深度亚波长成像的声学超透镜，用以实现对待测物体的近场深度亚波长成像，该声学超透镜包括多个同时具有负有效质量密度和负有效体压缩系数的声学超分辨成像单元，所述的声学超分辨成像单元按照二维正方形晶格排列形成矩形阵列。与现有技术相比，本发明具有结构简单、有效放大倏逝波、有效调控成像频带、较高的成像分辨率等优点。

Description

一种实现深度亚波长成像的声学超透镜
技术领域
本发明涉及声学功能材料领域，尤其是涉及一种实现深度亚波长成像的声学超透镜。
背景技术
声学成像是无损探测物质结构和成分的一种基本方法。传统的声学成像设备由于声波的衍射极限的限制，成像的分辨率只能达到探测波长的二分之一。大量被倏逝波携带的细节信息在物体附近耗散掉，无法传播到远处成像。声学功能材料是一种人工构造的亚波长结构，可以实现传统材料中不具有的现象和功能，有效的调控声波。同时具有负有效质量密度和负的有效体压缩系数的声功能材料，可以表现出负折射率，实现超分辨汇聚，称为声学左手材料。例如，文献S.Zhang,L.L.Yin,and N.Fang,Phys.Rev.Lett.102,194301(2009)和N.Kaina,F.Lemoult,M.Fink,and G.Lerosey,“Negative refractive index andacoustic superlens from multiple scattering in single negativemetamaterials,”Nature 525,77(2015)设计了由双负超材料制作的超透镜，倏逝波经过该结构得到增强。然而，这些超透镜的效率，带宽调控和亚波长深度还需进一步提升。为了实现双负超透镜性能的提升，需要一种实现深度亚波长成像的声学超透镜。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现深度亚波长成像的声学超透镜。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种实现深度亚波长成像的声学超透镜，用以实现对待测物体的近场深度亚波长成像，该声学超透镜包括多个同时具有负有效质量密度和负有效体压缩系数的声学超分辨成像单元，所述的声学超分辨成像单元按照二维正方形晶格排列形成矩形阵列。
每个声学超分辨成像单元包括一个一维波导以及设置在一维波导上形成流体连通空间的多个相互耦合的Helmholtz共鸣器，多个声学超分辨成像单元的一维波导在平面方向相互连通形成二维波导阵列，多个Helmholtz共鸣器形成二维共鸣器阵列。
每个声学超分辨成像单元的一维波导上设有一对Helmholtz共鸣器，两个Helmholtz共鸣器均设置在一维波导竖直方向的一侧，整个矩形阵列包括一层二维共鸣器阵列层，该二维共鸣器阵列层内的所有共鸣器的基础共振频率相同。
每个声学超分辨成像单元的一维波导上设有两对Helmholtz共鸣器，两对Helmholtz共鸣器分别设置在一维波导竖直方向的两侧，整个矩形阵列包括两层二维共鸣器阵列层，同一二维共鸣器阵列层内的所有共鸣器的基础共振频率相同，并且两个二维共鸣器阵列层内共鸣器的基础共振频率不同。
所述的Helmholtz共鸣器包括一正方形腔体和圆柱形颈部。
两个Helmholtz共鸣器位于正方形腔体上下表面的对角线上。
通过改变Helmholtz共鸣器的腔体体积和孔径大小调节Helmholtz共鸣器的基础共振频率，从而调节超透镜的工作频带。
通过改变矩形阵列的边长和Helmholtz共鸣器的耦合间距调节超透镜的成像带宽。
通过改变Helmholtz共鸣器的耦合间距调节双负区的带宽、是否存在双负区以及亚波长成像的有无。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、结构简单：
本发明通过简单的结构，构造了一种可以在有限的可调频带中实现深度亚波长成像的声学超透镜，该声学功能材料的基本单元包括至少一个二维波导和多个耦合的亥姆霍兹(Helmholtz)共鸣器构成的二维正方形晶格阵列，当结构处于共振频率附近时，能够出现负折射带(由共鸣器耦合产生的同相共振模式和反相共振模式叠加产生)。
二、有效放大倏逝波：
本发明利用各向同性的负折射声学超材料，放大倏逝波，倏逝波横向波矢量ky携带物体大量细节信息被放大，沿超透镜传播到远端成像，从整体上看有效提高的成像的分辨率，实现深度亚波长的成像。
三、有效调控成像频带：
本发明可固定距离调节亥姆霍兹共鸣器的频率，调节有效负折射率的频带。透镜的有效折射率频带不同，可以实现成像频带的变化，可以利用双层结构耦合实现高效可调的双带深度亚波长成像，增强对物体的探测能力。
四、较高的成像分辨率：
本发明提供的超材料透镜，具有深度的亚波长成像分辨率，实验测得分辨率可以达到λ/26。较高的分辨率，允许我们使用低频声信号探测小尺度物体，减小能量损耗，提高声信号传输距离。
附图说明
图(1a)为声学超分辨成像单元的结构示意图。
图(1b)为声学超透镜的10*1阵列结构示意图。
图2为正方形二维周期分布结构能带。
图3为第一布里渊区的等频频散曲面。
图4为沿y轴方向记录声压分布测量结果。
图5为声能密度分布图，其中，图(5a)为10*1阵列的声能密度分布图，图(5b)为10*2阵列的声能密度分布图。
图6为双层分布阵列的声学超分辨成像单元的结构。
图7为双层分布阵列的声学超分辨成像单元的能带分布。
图8为阵列声能密度分布，其中，图(8a)为634.5Hz时10*2阵列声能密度分布，图(8b)为为664Hz时10*2阵列声能密度分布。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种基于Helmholtz共鸣器耦合的同时具有负有效质量密度和负有效体压缩系数的声学超分辨成像结构，其具有耦合倏逝波将物体大量细节信息传递到另一端成像，实现对物体的近场深度亚波长成像(实现二十六分之一波长)。所述超透镜是由多个单元周期排列的阵列组成，单元尺寸要求亚波长，结构按照二维正方形晶格排列。通过叠加双层结构，可以实现多带的超分辨成像，扩展带宽。
实施例1：
本发明的具体结构如下：
如图1所示，图为展示了声学超分辨成像单元的结构。该图包括两个相同结构的亥姆霍兹共鸣器和一个连通的一维波导。波导和亥姆霍兹共鸣器密封连接，两个亥姆霍兹共鸣器非对称并联在管道侧面。
作为非限制性的实例，本发明功能结构的一个典型的参数如下：矩形波导的高为H＝30mm,长和宽为60mm(上下壁厚度和材料要保证刚性硬边界条件，侧面设置Floquet周期性边界)。亥姆霍兹共鸣器的颈部为圆柱形开口，内半径为R＝5mm，高度H＝8mm,共鸣器的腔体内部为24mm×24mm×54mm的长方体。两亥姆霍兹共鸣器(共振频率672Hz)在x和y方向的距离为28mm，材料可以是任何硬质材料。图2给出了正方形二维周期分布结构的能带。可以明显的看到ΓΜ和ΓX高对称方向，在Helmholtz基础共振频率附近(661Hz-655Hz)出现了负的通带。
值得注意的是，本实例单元结构中两个共鸣器在x和y方向的距离是可调的，该距离决定了双共鸣器间的耦合强度，进一步决定了负有效密度的带宽和负有效体压缩系数的带宽和这两个负带的相对位置，最终影响了这两个负带的重叠位置和带宽。本实例所取的共鸣器间距为优化后选取的28mm。
尽管结构产生了负带，考虑实际应用说明负带范围内周期结构是各向同性的。因此计算了正方晶体第一布里渊区的等频频散曲面，如图3所示。图3结果表明正方形分布晶体在661Hz-657.7Hz范围内，可以看作各向同性的有效负折射超材料。
具体实现方式如下：
首先利用图1单元构造一个10*1和10*2分布的超透镜，使用传声器在超透镜声波出射端近场沿y轴方向记录声压分布。测量结果如图4所示，等频频散曲面所示各向同性双负区出现超分辨成像。通过比较声压幅度半高度处y轴宽，本例给出了最窄的658Hz时，幅度半高处y轴宽为λ/26。我们也比较了不放超透镜时，点源在相同位置的幅度半高宽约为λ/2。出现了很好的深度亚波长成像，且声压幅值增强。
为了直观看到超棱镜的成像情况，观察仿真结果沿z等于1cm的xy截面的声能密度分布情况。图5同时给出了10*1和10*2阵列在658Hz时的声能密度分布图(图(5a)为10*1阵列，图(5b)为10*2阵列。)可以很明显的看出在上方点源的对面形成了能量增强的像。
实施例2：
在图(1a)的基本结构的基础上我们进一步拓宽双负区的带宽，因此我们在基础共振频率为680Hz的Helmholtz共鸣器阵列上面增加了一层基础共振频率为640Hz的相同分布阵列。作为非限制的实例，该结构Helmholtz共鸣器的排列方式可以非正方形晶格分布，Helmholtz共鸣器的个数可以为大于或等于20个，Helmholtz共鸣器的形状可以为非正方形。图6和图7给出了单元结构图和单元的能带分布，在ΓΜ和ΓX高对称方向两个共振频率附近出现了两个双负带。640Hz的Helmholtz共鸣器耦合产生了低频端双负带，680Hz的Helmholtz共鸣器耦合产生了高频端双负带，中间的正带是两种Helmholtz共鸣器耦合形成的。
图8是基于仿真计算结果，绘出z＝1.5cm处xy截面的声压分布。图(8a)为634.5Hz时10*2阵列声能密度分布，上部为点入射端，下部对称部位明显出现了它的像。同样高频负带的664Hz也出现明显的聚焦。可以看出双层结构的超透镜负带宽度明显增加，实现了高效、高分辨率的双负带深度亚波长成像。

Claims (3)

1.一种实现深度亚波长成像的声学超透镜，用以实现对待测物体的近场深度亚波长成像，其特征在于，该声学超透镜包括多个同时具有负有效质量密度和负有效体压缩系数的声学超分辨成像单元，所述的声学超分辨成像单元按照二维正方形晶格排列形成矩形阵列，每个声学超分辨成像单元包括一个一维波导以及设置在一维波导上形成流体连通空间的多个相互耦合的Helmholtz共鸣器，多个声学超分辨成像单元的一维波导在平面方向相互连通形成二维波导阵列，多个Helmholtz共鸣器形成二维共鸣器阵列，通过改变Helmholtz共鸣器的腔体体积和孔径大小调节Helmholtz共鸣器的基础共振频率，从而调节超透镜的工作频带，通过改变矩形阵列的边长和Helmholtz共鸣器的耦合间距调节超透镜的成像带宽，通过改变Helmholtz共鸣器的耦合间距调节双负区的带宽、是否存在双负区以及亚波长成像的有无；
当每个声学超分辨成像单元的一维波导上设有一对Helmholtz共鸣器时，两个Helmholtz共鸣器均设置在一维波导竖直方向的一侧，整个矩形阵列包括一层二维共鸣器阵列层，该二维共鸣器阵列层内的所有共鸣器的基础共振频率相同；
当每个声学超分辨成像单元的一维波导上设有两对Helmholtz共鸣器时，两对Helmholtz共鸣器分别设置在一维波导竖直方向的两侧，整个矩形阵列包括两层二维共鸣器阵列层，同一二维共鸣器阵列层内的所有共鸣器的基础共振频率相同，并且两个二维共鸣器阵列层内共鸣器的基础共振频率不同。
2.根据权利要求1所述的一种实现深度亚波长成像的声学超透镜，其特征在于，所述的Helmholtz共鸣器包括一正方形腔体和圆柱形颈部。
3.根据权利要求1所述的一种实现深度亚波长成像的声学超透镜，其特征在于，两个Helmholtz共鸣器位于正方形腔体上下表面的对角线上。
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