CN109119062A - 一种声学共振聚焦透镜及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声学共振聚焦透镜及其设计方法，属于物理声学领域。本声学共振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，散射共振体单元形状呈“十”字形。共振聚焦透镜内部元胞按正方晶格形式进行周期性地排列，透镜主体外围轮廓呈一个“长方体”，主体安放在透镜底座上。本发明利用了声子晶体局域共振腔和声波负折射的基本原理设计了一种声学共振聚焦透镜，使本发明的声学共振聚焦透镜相比于现有的声学聚焦透镜结构简单、厚度更薄，可以在多种介质中对平面波和球面波均实现很好的声波聚焦效果。

Description

一种声学共振聚焦透镜及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种声学共振聚焦透镜的设计方法，属于物理声学领域。

背景技术

2000年J.B.Pendry提出了利用负折射制作光学完美透镜的思想。2008年AlexeySuckhovich首先在实验上证实了超声波负折射现象存在于二维棱镜形状的声子晶体中，并且声波的传播方向可由元胞等频线图的梯度变化方向来判断。由此表明利用声子晶体和负折射原理同样可以实现声学完美透镜，从而实现声波聚焦。自2008年以来声学完美透镜和声学超透镜成为了声波聚焦领域的研究热点。到2015年，Nadège Kaina1在《自然》杂志上发表文章，首次设计出一种单负超材料实现了负折射和声学超透镜。利用声子晶体散射和共振的原理是制作声学超透镜的重要手段，其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，甚至波数方向与声波相速度相反，从而发生负折射现象，由此改变了声波的传播特性产生了新的特征。在后续的研究中，人们不断通过调整声子晶体散射共振体的结构形式和材料参数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。

在声学聚焦透镜领域中，当进入透镜的所有声波成分都无损失地参与了声波成像，把这种透镜称为“完美透镜”。但在实际材料中一定会存在声波的色散和吸收，所以不存在理想的完美透镜，但存在能够显著提高分辨率的超透镜。

经检索，关于实现声学聚焦透镜的设计最近已有相关专利公开。如发明专利CN201410157527.5，公开了名为“一种声学超透镜的镜结构体和声学超透镜及其成像装置”的专利；发明专利CN201510816714.4，公开了名为“一种聚焦声透镜的设计方法”的专利；发明专利CN201610589500.2，公开了名为“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。这些专利均在一定程度上利用声子晶体和负折射的基本原理，为声学聚焦的设计都提供了一种新的方法，但他们之间具有设计方法复杂或应用场合少等问题。

本发明设计了一种平板声学共振聚焦透镜，可以在较宽的范围内实现声学聚焦的功能，与上述聚焦透镜效果不同的是：本发明声学共振聚焦透镜不再局限于水平面上的声波聚焦，有益效果主要在于竖直平面(散射共振体长度方向)的聚焦，易于其它器件组合使用产生新的效果，为三维声学聚焦成像提供了一种新的思路。

发明内容

(1)发明目的

本发明的目的在于提供一种声学共振聚焦透镜及其设计方法，可以在较宽频率范围和竖直平面内实现和传统几何光学聚焦透镜相似功能的声学聚焦透镜，为三维声学聚焦成像装置的设计打下基础。

(2)技术方案

本发明的声学共振聚焦透镜，包括底座和元胞，所述元胞为整个人工周期性结构的基本构成单元，元胞包括：散射共振体单元和基体材料，散射共振体单元作为元胞的主要构成材料，周期性排列在底座上；基体材料作为声波的传播介质，充满在散射共振体单元的周围。

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声学和水声学领域中实现同样的效果。

优选的，元胞以正方晶格的形式按固定间距a周期性排列在底座上，元胞周期性排列所构成的主体外围轮廓为一长方体。长方体的长宽高之比为3.4:1:3.47。

优选的，散射共振体单元一般为结构钢或相对于基体材料声阻抗较大的其它材料，即散射共振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”字形或选旋转一定角度的“×”字形，“十”字形包括左右对称和上下对称，这里注意的是在同一个声学共振聚焦透镜中所有散射体参数需保持一致。

优选的，散射共振体单元的高度h大于或等于15倍，并且小于或等于35倍的元胞晶格常数a。散射共振体单元的个数为N个，N一般为85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。

在本发明的一些实施例中，底座的主要目的是为了固定声学共振聚焦透镜的整体位置，防止内部散射共振体单元发生移位，对声波聚焦效果并无实质影响。

本发明提供了一种声学共振聚焦透镜的制作方法，用于上述的声学共振聚焦透镜，包括选择基体材料、散射体单元形状和底座的设计。

(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.本发明利用了“十”字形散射共振体单元用于声学共振聚焦透镜，在结构内部多个散射共振体形成了多个共振腔，可以在竖直平面(散射共振体长度方向，垂直于底座)对平面声波和球面波均可以实现声波聚焦。

2.本发明的声学共振聚焦透镜聚焦强度高、聚焦能力强，本实施例中声波经过结构后声压值在聚焦点处至少放大了2.55倍，且聚焦点离透镜中心的位置只有11.25cm。

3.本发明的声学共振聚焦透镜，相比于同类型声学聚焦透镜所需材料更少，占用空间小，总体质量轻。

4.本发明的声学共振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，加工工艺简单，且在水或空气中都可以直接实现声学聚焦的效果，成本低廉。

附图说明

图1为本发明声学共振聚焦透镜的立体结构示意图；

图2为本发明声学共振聚焦透镜的俯视图；

图3为散射共振体单元结构的示意图；

图4为声波频率30kHz时剖面A的声强和等值线分布图；

图5为声波频率30kHz时剖面B的声强和等值线分布图；

图6为焦点处沿散射共振体单元高度(长度方向)的声压分布曲线图；

图7为本实施例中散射共振体单元能带结构图；

图8为本发明声学共振聚焦透镜的设计流程图。

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声学共振聚焦透镜，如图1所示，图1是本发明声学共振聚焦透镜的立体结构示意图，该聚焦透镜包括散射共振体单元1和用于安放和固定散射共振体单元1位置的底座3，散射共振体单元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均可以产生聚焦的效果。

底座3是厚度为d的结构钢板，底座用于安放和固定散射共振体单元的位置，底座材料不局限于结构钢，其材料、厚度和长宽足以支撑起本发明声学共振聚焦透镜的主体结构即可。

如图1和2所示，散射共振体单元1和基体材料2组成的元胞以正方晶格的形式周期性排列组成了声学共振聚焦透镜的主体功能部分，每四个散射共振体单元1形成一个共振腔4，如图2虚线所圈出的部分所示。本实施例一共85个散射共振体单元1按晶格常数a排列成了一个外围轮廓为长方体的结构，如图1和俯视图2所示，其中长方体的长为204mm，短轴为60mm，高为208mm。在保证本发明声学共振聚焦透镜的长方体外围轮廓长宽高之比不变的情况下，放大或缩小整体尺寸均能实现声波聚焦的有益效果。需要说明的是这里只是示例性说明，不限于本发明中声学共振聚焦透镜长方体外围轮廓的长宽高比。

散射共振体单元1和基体材料2共同组成的最小重复性结构称为元胞，如图3所示。散射共振体单元处于在元胞中间，散射共振体单元1图3中已以阴影部分表示出，在本实施例中散射共振体单元的材料为结构钢，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，“十”字型可以左右对称、上下对称或完全对称，这里注意的是在同一个声学共振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。

散射共振体单元1的结构参数会影响整个声学共振聚焦透镜的性能。散射共振体单元1的参数有a、b、c和旋转角度θ等，其中a常被称为元胞的晶格常数，b为短边长度，c为长边长度，所述散射共振体单元的高度大于或等于15倍，并且小于或等于35倍的元胞晶格常数a。在本实施例中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共振体体单元1的具体形状和结构参数。

根据要求的工作频率范围f，可以通过改变散射共振体单元1的参数a、b、c或散射共振体单元1的角度θ使本发明声学共振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＝4a和b、c≤a两个条件确定一个散射共振体单元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。本发明的声学共振聚焦透镜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时，超出了本发明聚焦透镜的工作频率范围，在一个数量级范围内改变散射共振体单元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共振体单元1的结构尺寸来实现声波聚焦。

本发明声学共振聚焦透镜为左右对称结构形式，左右两端方向均可使用，可以对平面声波和球面波均可以实现声波聚焦的有益效果，其中声波从长方体的短边入射。

本发明利用了声子晶体局域共振和负折射聚焦的基本原理，即当声波进入本发明的声学共振聚焦透镜时，声波发生负折射。当在聚焦透镜左(右)端施加工作频率为f范围内的平面声波或球面波时，声波经基体材料2进入聚焦透镜后，与各个散射共振体单元1发生相互作用，声波向中间汇聚，声波传出聚焦透镜后再次发生折射并在声学共振聚焦透镜右端(左)产生声波聚焦的现象并存在一个聚焦点。

图4和5是声波频率为30kHz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的声强和及其等值线分布图。与上述的的工作原理相对应，本发明声学聚焦透镜的右端发生了声波聚焦现象并存在一个焦点，焦点处的声强最大，然后沿散射共振体单元1高度(长度)方向离焦点越远，声强逐渐减小。

图6是声波工作频率为30kHz时，焦点处声强沿散射共振体单元1高度(长度)方向的分布曲线图，焦点中心处声强最大，远离焦点的两个方向声强逐渐减小。

图7是散射共振体单元的能带结构图，阴影部分别是Bragg散射带隙(下)和局域共振完全带隙(上)，声波聚焦工作的频率范围在第一条带隙的中间部分。

如图8所示，本发明另一实施例中提供了一种简单有效的声学共振聚焦透镜的设计方法，其设计流程如下：

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，初步确定散射共振体单元1结构和数量。可根据声波波长λ＝4a和b、c≤a两个条件确定一个散射共振体单元1的初始参数，后续还可通过旋转散射共振体单元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元胞的能带结构图，对比能带结构图，确定工作频率f₀是否在声学共振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.根据长方体长宽大小制备一或两块合适大小和厚度的底座，并根据晶格常数a、散射共振体单元1的结构参数在底座上确定出散射共振体单元1的位置，根据散射共振体单元1的位置和结构参数对底座镂空，以便预留出散射共振体单元1的安装位置。

步骤5.选择选择合适的材料制作散射共振体单元1，并以正方晶格的形式周期性排列组成声学共振聚焦透镜阵列，然后将散射共振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打印技术对声学共振聚焦透镜进行整体制作。

综上所述，本发明提供了一种声学共振聚焦透镜的设计和制作方法，能够在较宽的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 (8)

1.一种声学共振聚焦透镜，其特征在于包括：元胞和底座，所述元胞为周期性结构中用于排列的最小结构单元，元胞以正方晶格的形式排列在底座上，元胞进行周期性排列所构成的共振聚焦透镜的主体外围轮廓呈长方体，长方体的长宽高之比为3.4:1:3.47，

所述元胞包括：

一个散射共振体单元，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，充满在散射共振体单元的周围。

2.根据权利要求1所述的声学共振聚焦透镜，其特征在于所述的散射共振体单元呈对称的“十”字型长柱体结构，其左右对称，且上下对称，散射共振体单元可以在元胞内旋转任意角度后排列在底座上，但所有元胞内的散射共振体单元的旋转角度均需相同；散射共振体单元之间按固定间距进行周期性排列。

3.根据权利要求1或2所述的声学共振聚焦透镜，其特征在于所述散射共振体单元的高度h大于或等于15倍元胞晶格常数a，并且小于或等于35倍的元胞晶格常数a。

4.根据权利要求1所述的声学共振聚焦透镜，其特征在于所述的基体材料为水或空气。

5.根据权利要求1所述的声学共振聚焦透镜，其特征在于所述的散射共振体单元材料的声阻抗大于或等于25倍基体材料的声阻抗。

6.根据权利要求1所述的声学共振聚焦透镜，其特征在于所述的声学聚焦透镜的聚焦平面为垂直于底座的竖直平面，可以对平面声波和/或球面波均实现声波聚焦。

7.一种如权利要求1所述的声学共振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，选定应用场所，即选定基体材料；

步骤2.根据波长，确定散射共振体单元的形状参数和数量大小；

步骤3.利用数值计算方法计算步骤2所确定元胞的能带结构，根据能带结构图，确定工作频率f是否在声学共振聚焦透镜的可用范围内，如果不在频率范围内，返回步骤2，直到频率大小满足条件为止；

步骤4.制备底座，并在底座上根据晶格常数a、散射共振体单元短边长度b和长边长度c、和透镜长宽比确定出散射共振体单元的位置和底座大小，根据散射共振体单元的位置和结构参数对底座镂空，预留出散射共振体单元的安放位置；步骤5.批量制作散射共振体单元，并将其按正方晶格形式周期性排列在底座预留的安装位置之上构成声学共振聚焦透镜。

8.如权利要求7所述的设计方法，其特征在于所述的步骤4中为了避免散射共振体单元在使用过程中发生倾斜，使用一块与底座相同的结构，将其安装在散射共振体单元上方。