CN110992925A - 管状声学超材料透镜的设计装置 - Google Patents
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Abstract
管状声学超材料透镜的设计装置，包括：环氧树脂基体；圆环金属层；以及橡胶层，包裹所述圆环金属层的外侧，并嵌入所述环氧树脂基体。采用本技术方案，在近场点声源所产生的声波通过本方案的设计装置，声波在传输声子晶体内部后，在声波的作用下，环氧树脂构成基体首先振动，带动橡胶包覆层振动，由于橡胶包覆层紧紧连接金属芯，金属芯势必也会发生振动。在系统共振频率附近得到了负质量参数，在板两界面表面经过两次负折射后，得到一完全由衰逝波组成的亚波长近场外部像点，通过该像点可以获得制造声学透镜的反射、透射系数。故本设计装置可用于声学透镜的研究与分析，弥补了这一研究模型装置的设计空缺。
Description
【技术领域】
本发明涉及声学超材料设计技术领域，特别是涉及一种声管状声学超材料透镜的设计装置。
【背景技术】
声学超材料(包括声子晶体)是近几年来物理学前沿研究热点之一。可对声波提供前所未有的、更加灵活自如的操控，声学超材料中新奇的传播规律(如带隙特效等)，为研究声波信号任意频率调控开辟了新的思路，这也为声子晶体在负折射的应用展现出美好的前景，如声子晶体负折射用于医学检测、工业探伤等领域。局域共振型声子晶体由于其结构尺度的变化周期远小于声波波长，实现了“小尺寸控制大波长”。
人工声学超材料(包括声子晶体)负折射为声子晶体学成像中的衍射极限提供了新思路，人工声学超材料(包括声子晶体)大大突破了自然材料的局限，可对声波提供前所未有的、更加灵活自如的操控。声学超材料中新奇的传播规律---基于负折射率的近场成像，为亚波长分辨率研究开辟了新的思路。
近几年人工声学超材料研究取得了一些成果，但是基于该声学超材料对声学透镜领域的研究还是存在很多的技术难题，还是技术空白。针对当前的难题，需要设计一些辅助设计的装置，为该领域的研究人员的研究提供便捷。
【发明内容】
基于此，提供了一种管状声学超材料透镜的设计装置。
一种管状声学超材料透镜的设计装置，包括：环氧树脂基体；圆环金属层；以及橡胶层，包裹所述圆环金属层的外侧，并嵌入所述环氧树脂基体。
在一实施例中，所述金属层的圆环直径为0.4-0.6mm。
在一实施例中，所述金属层的圆环直径为0.5mm。
在一实施例中，所述橡胶层宽度为0.1-1.3mm。
在一实施例中，所述橡胶层宽度为0.2mm。
在一实施例中，所述圆环金属层由多个同心圆环所构成，由内而外的所述同心圆环的内径依次呈2倍的尺寸倍增。
在一实施例中，所述圆环金属层的材质至少包括铜、铝、锡、铅、金、银的一种或多种。
采用本方案的管状声学超材料透镜的设计装置，在近场点声源所产生的声波通过本方案的设计装置，声波在传输声子晶体内部后，在声波的作用下，环氧树脂构成基体首先振动，带动橡胶包覆层振动，由于橡胶包覆层紧紧连接金属芯，金属芯势必也会发生振动；也就是说声波在声子晶体内部传输的过程，就是内部环氧树脂、金属芯、橡胶振动的过程，因此声学负折射成像的过程，在系统共振频率附近得到了负质量参数，在板两界面表面经过两次负折射后，得到了一个完全由衰逝波组成的亚波长近场外部像点，通过该像点可以获得设计制造声学透镜的反射、透射系数。由此可见，本设计装置可用于声学透镜的研究与分析，弥补了这一研究模型装置的设计空缺。
【附图说明】
图1为一个实施例中管状声学超材料透镜的设计装置的立体结构图；
图2为图1中的圆环金属层的立体图；
图3为图2中的圆环金属层的剖视图；
图4为图3中的圆环金属层的单层截面图；
图5为一个实施例中环氧树脂基体材料设定图；
图6为一个实施例中橡胶层材料设定图；
图7为一个实施例中金属层材料设定图；
图8为点生意负折射聚焦成像的几何声学示意图。
【具体实施方式】
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合附图1-4，一种管状声学超材料透镜的设计装置，包括：环氧树脂基体；圆环金属层；以及橡胶层，包裹圆环金属层的外侧，并嵌入环氧树脂基体。
具体的：
环氧树脂基体。具体的，在环氧树脂集体内参入复合多孔声学材料。
圆环金属层，嵌入环氧树脂基体。具体的，圆环金属层由多个同心圆环所构成，由内而外的同心圆环的内径依次呈2倍的尺寸倍增。进一步的，金属层的圆环直径为0.4-0.6mm(毫米)，在本实施例中设置的直径为0.5mm。
橡胶层，包裹圆环金属层的外侧。圆环金属层由多个同心圆环所构成，由内而外的同心圆环的内径依次呈2倍的尺寸倍增，这样的结构设置可以实现声波的聚集，服务各种场景下的研究。在一实施例中，橡胶层宽度为0.1-1.3mm(毫米)，在本实施例中设置的直径为0.2mm。
在其它实施例中，圆环金属层的材质至少包括铜、铝、锡、铅、金、银的一种或多种，可以是金属单质或者是合金构成。从经济、易加工及效果的综合考虑，本方案的圆环金属层的材质所采用的是金属铝。
上述管状声学超材料透镜的设计装置，结合附图5-7，在本实施例中的环氧树脂基体、圆环金属层以及橡胶层，在X-Z平面上，其阵列时的晶格点阵方式为倒三角晶格形式，即任意三个上下相邻的原胞都可构成一个倒三角结构，最终形成一个矩形点阵平面，然后将整个矩形点阵平面经过旋转便可得到一个圆柱形管状结构，该圆柱形管状结构长120cm(厘米),宽40cm。
采用本方案的管状声学超材料透镜的设计装置(以下简称“设计装置”)，在近场点声源所产生的声波通过本方案的设计装置，声波在传输声子晶体内部后，在声波的作用下，环氧树脂构成基体首先振动，带动橡胶包覆层振动，由于橡胶包覆层紧紧连接金属芯，金属芯势必也会发生振动；也就是说声波在声子晶体内部传输的过程，就是内部环氧树脂、金属芯、橡胶振动的过程，因此声学负折射成像的过程，在系统共振频率附近得到了负质量参数，在板两界面表面经过两次负折射后，得到了一个完全由衰逝波组成的亚波长近场外部像点，通过该像点可以获得设计制造声学透镜的反射、透射系数。
由此可见，本设计装置可用于声学透镜的研究与分析，弥补了这一研究模型装置的设计空缺。
采用本方案的管状声学超材料透镜的设计装置，模拟设计声学透镜的过程，具体如下：
根据声学多层散射法的基本思想，将本方案的设计装置的整体视为多层介质，利用多重散射法分析本文的轴对称透镜的单层的散射矩阵，在利用循环迭代关系，逐渐推导该透镜的多层介质的整体散射矩阵，这样就可以求解得到声学透镜管的反射、透射系数。
给设计透镜的层状介质的散射过程，单独取散射特性可以由T+、T-、R+、R-描述,因此多层结构的传输系数可以由其循环迭代得到。对于单层的传输、反射系数问题，则使用多散射法进行计算。由于在单层分析时基于柱坐标系进行处理，在透镜内部传输主要以散射波的形式，所以需要将散射波同样用平面波叠加的形式描述。而为了得到透镜整体传输特性，就需要把运算结果转换为平面波转开的形式。
综上分析可以得到单层的散射关系被确定，由循环迭代可以得到任意多层散射矩阵。因此就能得到透镜整体能流反射系数R。根据传输过程中透射与反射系数关系，并考虑到此结构以纵波传输为主，所以该结构的投射系数，可以得到T＝1-R，根据近场点声源聚焦的要求，透射系数尽可能接近1时将会出现明显的声聚焦效果。
通过本方案的管状声学超材料透镜的设计装置，根据该设计装置模拟设计并完成所需要的透镜。
通过本方案设计装置按照要求设计了二维剖面，根据COMSOL Multiphysics提供的丰富的CAD绘图工具，旋转轴对称后既是三维模型。然后设置材料物理属性，根据本方案的设计装置获得的参数要求材料参数。接着，网格化。最后，求解模型，即根据中心周轴对称的特点，在声固耦合的模型性旋转可以得到270度的旋转效果。
进一步，根据多层结构的声场分析思想，选择不同层面分析声场聚焦效果。
从上述的仿真分析透镜厚度变换对波束调节作用，从而影响声波传输的透射率和反射率；若采取不同波束的入射透镜效果，分析在透镜内部的波束的相位改变，说明负折射率声学透镜在内部可以进行波束的波阵面的相位调制，其调制规律与光学透镜的傅里叶分析相位调制有相似的地方。
具体的，为了更深入的分析声学超透镜的相位变换作用，将在透镜左端的入射声场为为Ul(x,y)，传输透镜后的声场分布Ul′(x,y)，由于在透镜内部是负折射率透镜的调制作用，因此在分析透镜的相位调制作用时可以忽略，点声源发射球面声波在紧靠透镜之前的平面上产生的复振幅分布可以表示为
式中，常数A表示傍轴近似下该平面上均匀的振幅分布；f表示声学超透镜的焦距。
为了充分体现透镜厚度函数对相位的调制，因此，主要考虑入射声波作用在负折射透镜上的入射点与从透镜出来的声波出射点具有相同的坐标，由于负折射透镜表面的通过性很好，反射可以忽略，同时忽略内部结构的能量损耗，这样的话，就认为在声波在负折射透镜中其振幅基本不变，主要是是由于厚度的位相变化导致发散的球面波变为汇聚的球面波。这样就可以更全面的认识透镜的相位调制作用：
tl(x,y)＝exp(jkΔ0)exp(jk(n-1)L(x-y))
式中，L(x,y)表示点声源发射的平面上出射点之间所走过的光程
若透镜中心厚度为Δ0，坐标(x,y)点的内部介质的不均性导致有为Δ(x,y)的厚度差异，那么声波在声学透镜超透镜内部实际的L(x,y)包括两部分：透镜内部的光程公式要修改内部声程和差异声程。nΔ(x,y)和透镜与前后紧靠的两个平面之间的空气中的[Δ0-Δ(x,y)]
则得到tl(x,y)＝exp(jkΔ0)exp(jk(n-1)Δ(x-y))
上式具有普遍意义。对于本文设计的声学超透镜而言，必须通过厚度函数Δ(x,y)，得到充分的厚度差异补偿，相位变化，才可以实现发散声波导汇聚声波的变化。
根据成像数据拟合了波阵面相位与透镜厚度比例变化情况，根据拟合曲线得出超透镜厚度与波阵面相位变化的关系式：
tl(x,y)＝exp(jkΔ0)exp(jk(n-1)Δ(x-y))*L/4
根据以上规律，结合负折射率分析可得出的负折射率成像示意图，如附图8所示。
综上验证方案，结合的层状透镜设计思想，使用激光雕刻机制备所需要超透镜所需要的层状片，然后把多层层状薄片组合起来，在层状薄片上附着透镜所需要的金属丝和橡胶，按照的层状结构得到透镜。
采用本方案的设计装置，就不需要完全制造出透镜来逆向验证之前所设计的参数是否合理或正确，仅需要在本设计装置中模拟实验就可以得到，既经济又高效。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种管状声学超材料透镜的设计装置，其特征在于，包括：
环氧树脂基体；
圆环金属层；以及
橡胶层，包裹所述圆环金属层的外侧，并嵌入所述环氧树脂基体。
2.根据权利要求1所述的管状声学超材料透镜的设计装置，其特征在于，所述金属层的圆环直径为0.4-0.6mm。
3.根据权利要求2所述的管状声学超材料透镜的设计装置，其特征在于，所述金属层的圆环直径为0.5mm。
4.根据权利要求1所述的管状声学超材料透镜的设计装置，其特征在于，所述橡胶层宽度为0.1-1.3mm。
5.根据权利要求4所述的管状声学超材料透镜的设计装置，其特征在于，所述橡胶层宽度为0.2mm。
6.根据权利要求1所述的管状声学超材料透镜的设计装置，其特征在于，所述圆环金属层由多个同心圆环所构成，由内而外的所述同心圆环的内径依次呈2倍的尺寸倍增。
7.根据权利要求1所述的管状声学超材料透镜的设计装置，其特征在于，所述圆环金属层的材质至少包括铜、铝、锡、铅、金、银的一种或多种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200410 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |