CN110491363A - 一种基于声学共振超表面的宽带聚焦透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人工复合材料超表面技术领域，尤其涉及一种基于声学共振超表面的宽带聚焦透镜，其用于解决体积大、成本高、带宽窄、损耗大等缺点，并且难以集成的缺点，具体方案如下：所述的超表面包含至少两个不同共振频率的共振结构单元，根据不同的共振结构单元的组合方式和共振结构单元的结构尺寸对透射波相位进行调控，实现透镜在不同位置处的聚焦，然后提取和处理聚焦平面上的强度，分析所述透镜的宽带聚焦特性。本发明设计巧妙，该结构为平面超薄结构，具有体积轻便，结构简单，制造成本低的特点，适合广泛应用于成像、检测、通信等领域，值得推广。

Description

一种基于声学共振超表面的宽带聚焦透镜

技术领域

本发明涉及人工复合材料超表面技术领域，尤其涉及一种基于声学共振超表面的宽带聚焦透镜。

背景技术

声波聚焦在实际场景中具有广泛的应用，如声波成像、无损检测、超声医疗等。近年来，声子晶体、声学超材料的快速发展为声学聚焦透镜的设计提供了新的解决方案。与光子晶体和电磁超材料类似，声子晶体和声学超材料可以极大地拓展人们对声波的调控手段，如异常反射/透射现象、聚焦与成像、特殊声束产生,以及声波隐身、吸收、伪装等等。对于常见的超材料来说,需要有一定数量的周期排布来实现其特殊功能，具有体积大、成本高、带宽窄、损耗大等缺点，并且难以集成。因此超材料的轻薄化设计成为迫切地需求。

声学超表面的提出即是波控功能结构追求轻薄化设计的产物。与传统人工变折射率材料的调控机理不同，声学超表面本质上是具有亚波长尺寸的微结构声相控阵对声波的波阵面进行调整。这使得声学超表面具有设计灵活、物理内涵丰富，平面超薄结构等诸多优点，有利于器件的小型化、集成化，从而成为声波调控的热点。

研究发现，空间折叠结构具有极高的折射率，因此能够使得投射到该结构上的入射波发生较大的延迟并沿着曲折道路传递。然而，空间折叠结构往往具有阻抗失配的缺点，这意味着在设计超表面的时候除了要考虑相移，还要进行阻抗匹配。与之相比，采用基于局部共振的声学共振单元可以进一步减少结构尺寸，具有厚度更薄、设计更简单等优点。然而，基于共振的声学元器件在偏离共振频率的声波入射时，不可避免地会影响其功能。因此，采用一种体积轻便、结构简单、成本低、效率高的宽带声学聚焦透镜是具有重要意义的。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于声学共振超表面的宽带聚焦透镜。

本发明提出的一种基于声学共振超表面的宽带聚焦透镜，所述的超表面包含至少两个不同共振频率的共振结构单元，根据不同的共振结构单元的组合方式和共振结构单元的结构尺寸对透射波相位进行调控，实现透镜在不同位置处的聚焦，然后提取和处理聚焦平面上的强度，分析所述透镜的宽带聚焦特性。

进一步地，所述透镜的频率范围是1000-2600Hz。

进一步地，所述共振结构单元包括长直导管和四个亥姆霍兹共振腔，其中共振结构单元的长度为其共振波长的一半。

进一步地，所述共振结构单元采用平面波入射，且共振结构单元的高度为入射声波最大波长的十分之一。

进一步地，还包括为空气的背景介质，所述共振结构单元的结构材料采用树脂。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明将具有不同共振频率的结构单元组合排列的方式，使得在较宽频带内实现声波的聚焦，同时，该结构单元具有较高的透射率，在较宽的频带范围内可保80%以上的透射；

2、本发明采用的结构单元的高度为最大波长的十分之一，保证了该结构具有较高的分辨率，与常用的空间卷曲型超表面相比，该结构单元在构建透镜时具有更小的横向尺寸，使得可以在较小的透镜尺寸下实现较好的聚焦效果，有利于器件的小型化、集成化处理；

3、本发明选取的结构材料还可以实现在其他介质中的声波聚焦，只需保证结构材料与背景介质相比为刚性即可，适应性强。

本发明设计巧妙，该结构为平面超薄结构，具有体积轻便，结构简单，制造成本低的特点，适合广泛应用于成像、检测、通信等领域，值得推广。

附图说明

图1为本发明提出的宽带聚焦透镜的示意图和相位分布图；

图2为单个声学共振结构设计图；

图3为共振频率为2286.7Hz的声学共振结构单元的结构尺寸参数与透射率和相位之间的关系；

图4为仅有一种共振频率结构的宽带聚焦透镜入射平面波后结果示意图；

图5为多种共振频率结构组成的宽带聚焦透镜入射平面波后结果示意图。

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。

实施例

参照图1，一种基于声学共振超表面的宽带聚焦透镜，所述的超表面包含至少两个不同共振频率的共振结构单元，根据不同的共振结构单元的组合方式和共振结构单元的结构尺寸对透射波相位进行调控，实现透镜在不同位置处的聚焦，然后提取和处理聚焦平面上的强度，分析所述透镜的宽带聚焦特性。

如图2所示，主要由不同共振频率的共振结构单元组成，每个结构单元包括长直导管和四个亥姆霍兹共振腔，共振结构单元的长度为其共振波长的一半。背景介质为空气，结构材料为树脂，相对为空气而言，为声学刚性材料。基于声学共振超表面的宽带聚焦透镜参数优化及仿真测试如下步骤：

（1）确定和优化单元结构尺寸参数：以所选的共振结构单元为例，其工作波长为，结构高度为，长度为，长直导管的高度为。改变的值，亥姆霍兹共振腔的腔体高度也随之改变。在comsol中建模，仿真得到共振结构单元的相位响应。以所选的2286.7Hz的共振单元结构为例，其工作波长为15cm，结构高度为1.5cm，长度为7.5cm。对单个共振结构单元进行结构参数扫描，即在工作频率下改变的值，可得到其相位变化可覆盖0-2π的范围，如图3所示。

（2）超表面单元结构选取：为了实现聚焦功能，需要超表面上的每个共振结构单元均满足聚焦相位。以二维面为例进行具体仿真，焦点平面在平面，透射波所需相位描述如下：

其中为焦距，为每个结构与焦点的水平距离。根据共振结构单元的每个子单元结构的位置，确定水平距离的值，再将其它参数代入上述公式即可得到相应的聚焦相位的大小。以由33个共振结构单元组成的焦距的透镜为例，透镜尺寸为49.5cm，其相位分布如图1（b）。为更好地说明宽带聚焦效果，先将仅有共振频率为2286.7Hz结构单元组成的聚焦透镜进行仿真，通过对焦平面上能量的提取和处理，计算在不同频率下的聚焦效率，其结果如图4。

（3）宽带聚焦透镜的设计：为了实现宽带聚焦功能，需要将不同共振频率的结构单元组合在一起。以共振频率为2286.7Hz，2330Hz与共振频率为2380Hz的结构为例，采用平面波入射，焦距设置为，超表面由33个结构单元组成，将三种共振频率的结构单元交叉放置，从而使得在更宽的频带范围内实现声波聚焦，透镜示意图如图1（a）。在comsol中建模，通过对焦平面上能量的提取和处理，计算在不同频率下的聚焦效率，其结果如图5。需要注意的是，更大的工作带宽可通过采用频率间隔更大的结构单元来实现，同时，增加透镜中结构单元的数量可实现更好的聚焦效果。

本实施例中，将两种或多种处于不同共振频率的结构单元进行组合排列，从而实现在宽带范围内的声波聚焦。利用一组亥姆霍兹共振腔与长直导管的混合共振结构实现对透射声波相位的灵活调控，将具有不同共振频率的结构单元组合排列，实现在更宽的频率范围内的声波聚焦。更大的工作带宽可通过采用频率间隔更大的结构单元来实现，同时，增加透镜中结构单元的数量可实现更好的聚焦效果。该透镜具有低成本和平面超薄结构的优点，有利于器件的小型化、集成化处理。

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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于声学共振超表面的宽带聚焦透镜，其特征在于，所述的超表面包含至少两个不同共振频率的共振结构单元，根据不同的共振结构单元的组合方式和共振结构单元的结构尺寸对透射波相位进行调控，实现透镜在不同位置处的聚焦，然后提取和处理聚焦平面上的强度，分析所述透镜的宽带聚焦特性。

2.根据权利要求1所述的一种基于声学共振超表面的宽带聚焦透镜，其特征在于，所述透镜的频率范围是1000-2600Hz。

3.根据权利要求1所述的一种基于声学共振超表面的宽带聚焦透镜，其特征在于，所述共振结构单元包括长直导管和四个亥姆霍兹共振腔，其中共振结构单元的长度为其共振波长的一半。

4.根据权利要求1所述的一种基于声学共振超表面的宽带聚焦透镜，其特征在于，所述共振结构单元采用平面波入射，且共振结构单元的高度为入射声波最大波长的十分之一。

5.根据权利要求1所述的一种基于声学共振超表面的宽带聚焦透镜，其特征在于，还包括为空气的背景介质，所述共振结构单元的结构材料采用树脂。