CN111547515B - 一种宽频超声悬浮装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频超声悬浮装置，包括超表面结构，该超表面结构由三维尺寸均对应相同的若干个单元拼接而成；每个单元包含若干倒放的柱状体，每个单元内的柱状体之间设有使入射波折射后出射的孔隙；每个单元对不同波长的平面波进行折射后产生固定相位的出射声波；每个单元的出射声波相位与其纵截面形状相对应；每个单元的纵截面形状通过遗传算法优化得到。本发明还公开一种宽频超声悬浮装置制作方法。本发明能够调制不同频率的入射平面波，使其透射声能量呈现“笼状”分布，可用于微粒操控、声能量驱动等领域。

Description

一种宽频超声悬浮装置及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种声学超材料领域，特别涉及一种宽频超声悬浮装置及其制作方法。

背景技术

目前，超声波悬浮是利用超声波振动形成悬浮间隙的一种现象，分为驻波悬浮和近场悬浮两种。超声悬浮近年来成为国内外研究的热点，其中驻波悬浮成为重点研究对象，并取得了重大突破，并构造了各种悬浮输送装置。驻波悬浮必须使用相对发射的双向声源，这种空间需求限制了超声悬浮的应用范围，因此单边声源超声悬浮在实际应用中更具有灵活性。另一种单边声源超声悬浮的方案是使用超声喇叭阵列，通过每个喇叭单独调控发射声波相位，从而构造所需要的声波相位图案化分布。然而每个喇叭单独调控需要复杂的电路控制，以及大量的独立操控的声通道，这需要极其专业的设备，所需成本过高。近年来，声学超表面以其灵活的声波操控功能和超薄特性，受到了越来越多的研究和重视，其中超声悬浮也是超表面的特殊功能之一。

声学超表面是一种亚波长声学超构材料，通过对微结构的巧妙设计，这类亚波长超构材料能够实现对超声波的调控。其根本原因是通过微结构来调控声波相位，从而获得特定的能量分布形式。如何利用超表面来实现宽频超常波动性能，如负折射率、声聚焦、超声悬浮，自弯曲声束、螺旋声场等，从而实现对宽频声波的任意调控是目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种宽频超声悬浮装置及其制作方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种宽频超声悬浮装置，包括超表面结构，该超表面结构由三维尺寸均对应相同的若干个单元拼接而成；每个单元包含若干倒放的柱状体，每个单元内的柱状体之间设有使入射波折射后出射的孔隙；每个单元对不同波长的平面波进行折射后产生固定相位的出射声波；每个单元的出射声波相位与其纵截面形状相对应。

进一步地，设超表面结构的底面为XY平面，底面中心为XY坐标原点，将单元分成两组；设纵截面形状相同的单元的集合为A_i，i＝1、2、…,n，n为集合A_i中单元的总数；设纵截面形状与其他单元均不相同的单元的集合为B_j，j＝1、2、…,k，k为集合B_j中单元的总数；A_i中的单元相对X轴及Y轴均对称分布；B_i中的单元相对X轴及Y轴均对称分布。

进一步地，B_i中的单元布设为近似以超表面结构的底面中心为圆心的圆形。

进一步地，n为141个；k为28个。

进一步地，单元之间通过衬板分隔，柱状体的两端固接在衬板上。

本发明还提供了一种宽频超声悬浮装置制作方法，该装置采用超表面结构，该超表面结构由三维尺寸均对应相同的若干个单元拼接而成；每个单元包含若干倒放的柱状体，每个单元的柱状体之间设有使入射波折射后出射的孔隙；每个单元对不同波长的平面波进行折射后产生固定相位的出射声波；每个单元的出射声波相位与其纵截面形状相对应；先确定每个单元的出射声波的相位值，然后对应相位值采用遗传算法对每个单元的纵截面形状进行优化，得到每个单元的纵截面形状的优化解。

进一步地，设超表面结构的底面为XY平面，底面中心为XY坐标原点，将单元分成两组；设纵截面形状相同的单元的集合为A_i，i＝1、2、…,n，n为集合A_i中单元的总数；设纵截面形状与其他单元均不相同的单元的集合为B_j，j＝1、2、…,k，k为集合B_j中单元的总数；确定n、k的值以及各单元的分布规律，建立各单元的中心坐标、各单元的出射声波相位与超表面结构输出声波之间的函数关系模型；设置模型精度；设置超声悬浮的目标声波，通过模型对各单元出射声波相位进行求解，得到各单元出射声波相位的值。

进一步地，A_i中的单元相对X轴及Y轴均对称分布；B_i中的单元相对X轴及Y轴均对称分布。

进一步地，B_i中的单元布设为近似以超表面结构的底面中心为圆心的圆形。

进一步地，超表面结构由3D打印制成。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明通过基于遗传算法对宽频超表面结构中单元的结构进行优化，能够在宽频范围内将入射平面波汇聚成“笼状”分布，从而“抓取”轻质小球，使其悬浮于空中。本发明是采用一种单侧输入平面波用于超声悬浮的装置，不需要单独调控声源喇叭的相位值，并且其超声悬浮性能在宽频范围内适用。本发明可通过选取不同结构的单元及采用一定的分布结构构建超表面结构，能够调制不同频率的入射平面波，使其透射声能量呈现“笼状”分布，而“笼状”能量场可以将轻质小球“抓住”，使其悬浮于空中。每个单元的结构均可通过遗传算法优化得到。本发明可用于微粒操控、声能量驱动等领域。

附图说明

图1为本发明的一种超表面结构示意图；

图2为一种单元的结构示意图；

图3为一种单元的纵截面形状示意图；

图4是本发明的一种单元编号及分布状态示意图；

图5是输入频率为41.8kHz平面波时宽频超声悬浮装置的声悬浮效果示意图。

图中：1、超表面结构；2、单元；3、空气通道；4、柱状体；5、围板；6、孔隙；7、大于r₀的区域；8、小于r₀的区域；9、声能量场；10、小球。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1至图5，一种宽频超声悬浮装置，该装置包括超表面结构1，该超表面结构1由三维尺寸均对应相同的若干个单元2拼接而成；即各单元2的长宽高尺寸都一致，各单元2均长度相等、宽度相等、高度相等。每个单元2包含若干倒放的柱状体4，每个单元2内的柱状体4之间设有使入射波折射后出射的孔隙6；每个单元2对不同波长的平面波进行折射后产生固定相位的出射声波；每个单元2的出射声波相位与其纵截面形状相对应；每个单元2的纵截面形状通过遗传算法优化得到。单元2的纵截面形状请参见图3，带剖面线的部分为柱状体4的截面，声波的折射使声波的传播途径为曲线，声波碰到遮挡的柱状体4时，会沿着柱状体4的边缘弯曲地折射，从孔隙中穿过并透射出来，形成出射声波。柱状体4的截面形状尺寸或孔隙截面轮廓的尺寸改变入射波的传播方向，使出射波的相位固定。

请参见图1和图5，平面波类型的声波从超表面结构1的底面入射，从顶面出射，可在超表面结构1的顶面上方汇聚，形成声能量场9，从而使轻质小球10悬浮于空中。

请参见图2至图3，声波从单元2的左侧入射，从右侧出射，声波透射方向的厚度H可为H＝1.2cm，每个单元2在超表面结构1底面上的长度L和宽度W可为L＝W＝0.41cm。

可设超表面结构的底面为XY平面，底面中心为XY坐标原点，可将单元分成两组；可设纵截面形状相同的单元2的集合为A_i，i＝1、2、…,n，n为集合A_i中单元2的总数；可设纵截面形状与其他单元2均不相同的单元2的集合为B_j，j＝1、2、…,k，k为集合B_j中单元2的总数；A_i中的单元2可相对X轴及Y轴均对称分布；B_i中的单元2可相对X轴及Y轴均对称分布。优选地，B_i中的单元布设为近似以超表面结构的底面中心为圆心的圆形。优选地，n可为141个；k可为28个。

优选地，每两个单元2之间可通过衬板分隔，柱状体4的两端固接在衬板上。每个单元2也可以在其前后及左右侧面设有围板5，柱状体4的两端固接在围板5上。衬板或围板5用于阻挡声波。

一种宽频超声悬浮装置制作方法，该装置设有对平面波折射汇聚的超表面结构1，该超表面结构1由三维尺寸均对应相同的若干个单元2拼接而成；每个单元2包含若干倒放的柱状体4，每个单元2的柱状体4之间设有使入射波折射后出射的孔隙6；每个单元2对不同波长的平面波进行折射后产生固定相位的出射声波；每个单元2的出射声波相位与其纵截面形状相对应；先确定每个单元2的出射声波的相位值，然后对应相位值采用遗传算法对每个单元2的纵截面形状进行优化，得到每个单元2的纵截面形状的优化解。可根据超声悬浮的出射声波相位需求，确定每个单元2的出射声波的相位值。

每两个单元2之间可采用衬板分隔，柱状体4的两端固接在衬板上；每个单元2也可以在其前后及左右侧面设有围板5，柱状体4的两端固接在围板5上，衬板和围板5阻挡声波的穿过。与纵截面垂直的围板也可以视为柱状体4。与纵截面平行的围板也可以视为衬板；该超表面结构1四周还可设有空气通道3。

通过衬板或围板使单元中的与超表面结构的底面垂直的四个面围合，使声波从单元中与超表面结构的底面平行的两个面穿过。附图2中，声波从左侧入射，从右侧穿出，出射声波的相位值固定。

声波透射方向的厚度H可为H＝1.2cm，每个单元2在超表面结构1底面上的长度L和宽度W可为L＝W＝0.41cm。

采用遗传算法对每个单元2的纵截面形状进行优化，使得每个单元2对不同波长的平面波进行折射后产生固定相位的出射声波，可根据声悬浮的目标需求，通过选取纵截面形状不同的单元2，按照一定的分布结构来构建超表面结构1。

为实现宽频消色差声聚焦透镜，需使每个单元结构满足需要的相位，采用含多约束条件的单目标遗传算法对每个单元结构进行拓扑优化设计。

其中一种采用遗传算法对每个单元2的纵截面形状进行优化的方法可如下：

设单元2的纵截面由L×M个正方形的子单元组成；可用L×M的二进制矩阵对每个单元结构进行拓扑表征，矩阵中元素表示子单元；矩阵中元素的值取0或1；其中，元素值为0，表示对应的子单元属于孔隙部分；元素值为1，表示对应的子单元属于柱状体部分；即单元2的纵截面形状可表示为由L行×M列的子单元拼接的矩形平面；如果矩阵中第i行第j列的元素为0，则单元2的纵截面中对应第i行第j列的子单元为孔隙部分；如果矩阵中第i行第j列的元素为1，则单元2的纵截面中对应第i行第j列的子单元为柱状体部分。

随机选取Np个L×M的二进制矩阵；其中，每个元素表示一个优化的设计变量。

基于含相位的适应度函数，评价每个元素的适应度。其中，关键的优化参数包含：单元的传输相位、传输率、空气连通域的数量与最小固体或空气的域的局部特征尺寸。

将Np个L×M的二进制矩阵作为种群，每个L×M的二进制矩阵作为个体，对种群中个体进行选择(Selection)操作。考察每个个体的适应度，选择种群中适应度较高的一部分个体来用于产生新的种群。采用锦标赛选择法形成含Np个个体的交配池，随机地将Nts个个体放在一起，组成一个小群体，即所谓的“竞赛规模”。然后，选出其中最优的个体；反复执行锦标赛过程Np次，直到Np个个体被选进交配池。

对种群中个体进行交叉(Crossover)操作。对交配池中任意的两个个体，采用二进制掩码矩阵进行均匀交叉，即：二维矩阵中每个元素均为[0,1]内的随机数，如果它落在[0,Pc]内(Pc为交叉概率)，则将两个个体的对应基因元素进行互换，从而生成两个新的个体。

对种群中个体进行变异(Mutation)操作。针对任意一个个体，生成一个二进制掩码矩阵用于标定变异的位置，其每个元素均为[0,1]内的随机数，如果它落在[0,Pm]内(Pm为变异概率)，则将个体对应的基因进行改变或反转。如果原基因为0，则将其修改为1。类似地，如果原基因为1，则将其修改为0。经过变异操作之后，GA生成了最终的新子代种群。

判断是否满足进化终止条件，满足则结束；否则，返回到步骤(1)继续迭代。一般而言，很难给出GA统一、准确的收敛准则，取而代之的做法是，设定特定的最大进化代数来指导进化终止。

也可以采用现有技术中适用的其他优化算法对单元2的纵截面形状进行优化。比如：粒子群算法，蚁群算法，模拟退火法，人工免疫系统等。

可设超表面结构的底面为XY平面，底面中心为XY坐标原点，可将单元2分成两组；可设纵截面形状相同的单元2的集合为A_i，i＝1、2、…,n，n为集合A_i中单元2的总数；设纵截面形状与其他单元2均不相同的单元2的集合为B_j，j＝1、2、…,k，k为集合B_j中单元2的总数；确定n、k的值以及各单元2的分布规律，建立各单元2的中心坐标、各单元2的出射声波相位与超表面结构1输出声波之间的函数关系模型；设置模型精度；可设置超声悬浮的目标声波，可通过模型对各单元2出射声波相位进行求解，得到各单元2出射声波相位的值。

A_i中的单元2可相对X轴及Y轴均对称分布；B_i中的单元2可相对X轴及Y轴均对称分布。优选地，可将B_i中的单元2布设为近似以超表面结构的底面中心为圆心的圆形。采用这种布设结构，能够调制不同频率的入射平面波，使其透射声能量呈现“笼状”分布。

采用这种布设结构，单元2的中心坐标、各单元2的出射声波相位与超表面结构1输出声波之间的函数关系模型可为：

其中x，y为B_i中的单元2的坐标位置，F₀为超声悬浮装置“笼状”声能量中心位置；φ(x,y,ω)为透射声波在B_i中的每个单元2中心点坐标位置处的相位；r₀为近似圆的半径，并以r₀作为基准设置相位特征分界线，使此线内外两侧的相位相反。请参见图4，相位特征分界线内包围的区域为小于r₀的区域8，相位特征分界线外侧的区域为大于r₀的区域7。

每个单元具有相应的透射相位，透射相位需要满足上述公式，上述公式中的x,y是单元所在位置的坐标。所以每个单元在宽频范围内需要有满足公式的特定透射声相位。因此所述遗传算法优化策略是先设定所需要的透射相位值，并把它们作为目标进行优化计算，经过多次迭代优化，最终确定固体结构如何分布可以围成相应的孔隙，使得声波在通过空气通道后其透射相位满足所述相位公式，最终得到具有特定几何形式的单元。所优化的结构为二维结构，也就是每个单元2的纵截面形状。

优选地，n可为141个；k可为28个。

优选地，超表面结构1可由3D打印制成。

优选地，超表面结构1的材料可为树脂。

下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的宽频超声悬浮装置的结构及其工作原理：

本发明的宽频超声悬浮装置包括一种亚波长的超表面结构1。该宽频超声悬浮装置能够调制不同频率的入射平面波，使其透射声能量呈现“笼状”分布，而“笼状”声能量场9可以将轻质小球10“抓住”，使其悬浮于空中。该宽频超声悬浮装置由169个三维单元构成，三维单元分布具有对称性，其中有28个单元2的结构与其他单元2结构均不相同。要使透射声能量场9呈现“笼状”分布，需要复杂的相位图案化设计，因此每个单元2的透射相位都要提前设定。本发明中的28种单元2均通过遗传算法优化得到，因此本发明的宽频超声悬浮装置是根据相位需求逆向设计来实现的。

请参见图1，该超表面结构1由169个单元2组成，其中包含28个独立单元2，独立单元2的纵截面的形状结构与其他单元2的结构均不相同，透射相位也对应均不相同；单元2编号及其具体分布情况请参见图4。每个单元2均由遗传算法优化设计得到，整体结构由3D打印制成。每个单元2包含若干倒放的柱状体4，每个单元的柱状体4之间设有使入射波折射后出射的孔隙6；透射声波经孔隙6调节以后，在每个单元2处具有不同的相位，169个相位点构成所需要的相位图案，从而使声能量在三维空间中聚集为“笼状”分布，从而“抓取”轻质小球10，使其悬浮于空中。

所述宽频超声悬浮装置，由169个单元2组成，其具体排布形式见图4，其中0至27号为独立单元2。

所述28个独立单元2结构均由遗传算法，根据具体的透射相位需求，优化设计得到。每个单元2均由离散固体和其所围成的孔隙6构成，离散固体是柱状体4，且每个单元2处声波的透射相位不同。

宽频超声悬浮装置所形成的“笼状”能量分布场的具体分布形式和位置可由单元的分布及相位面决定的。

进一步地，所述的该宽频超声悬浮装置具有宽频性能，在相当宽的超声频率范围内均能实现声悬浮。

进一步地，该超表面结构1可通过微米级3D打印制作，打印材料可为树脂，且固体结构所围成的孔隙6能够调控相应位置处透射声波相位。该制作方法简单快捷，一次成型，具有投产应用前景。

本发明还提供了一种宽频超声悬浮装置的设计及制作方法。该宽频超声悬浮装置能够调制不同频率的入射平面波，使其透射声能量呈现“笼状”分布，而“笼状”能量场可以将轻质小球10“抓住”，使其悬浮于空中。该宽频超声悬浮装置由169个三维单元2构成，其中有28个单元2的结构是与其他单元2互不相同的。要使透射声能量呈现“笼状”分布，需要复杂的相位图案化设计，因此每个单元2的透射相位都要提前设定。28种单元2均通过遗传算法优化得到，因此本发明是根据相位需求逆向设计来实现的，所设计的结构也是全新的。

本发明的单元2的结构请参见图2，对于每个单元2而言，声波透射方向的厚度H可为H＝1.2cm，每个单元2在超表面结构1底面上的长度L和宽度W可为L＝W＝0.41cm。所述宽频声悬浮的位置与图案化相位面的函数关系为：

其中x，y为单元2的坐标位置，F₀为超声悬浮装置“笼状”声能量中心位置；φ(x,y,ω)为透射声波在每个单元2坐标位置处的相位；r₀为相位特征分界线，此线内外侧相位具有反相特征。图4中所示的白色区域为“小于r₀的区域8”，图4中所示的灰色区域为“大于r₀的区域7”。

本发明实施例中，声悬浮“笼状”声能量中心位置F₀＝5cm。本发明实施例所设计的宽频超声悬浮的频率范围为19.8kHz至64.9kHz，具备超宽频特性。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (9)

1.一种宽频超声悬浮装置，其特征在于，包括超表面结构，该超表面结构由三维尺寸均对应相同的若干个单元拼接而成；每个单元包含若干倒放的柱状体，每个单元内的柱状体之间设有使入射波折射后出射的孔隙；每个单元对不同波长的平面波进行折射后产生固定相位的出射声波；每个单元的出射声波相位与其纵截面形状相对应；

设超表面结构的底面为XY平面，底面中心为XY坐标原点，将单元分成两组；设纵截面形状相同的单元的集合为A_i，i＝1、2、…,n，n为集合A_i中单元的总数；设纵截面形状与其他单元均不相同的单元的集合为B_j，j＝1、2、…,k，k为集合B_j中单元的总数；A_i中的单元相对X轴及Y轴均对称分布；B_i中的单元相对X轴及Y轴均对称分布。

2.根据权利要求1所述的宽频超声悬浮装置，其特征在于，B_i中的单元布设为近似以超表面结构的底面中心为圆心的圆形。

3.根据权利要求2所述的宽频超声悬浮装置，其特征在于，n为141个；k为28个。

4.根据权利要求1所述的宽频超声悬浮装置，其特征在于，单元之间通过衬板分隔，柱状体的两端固接在衬板上。

5.一种宽频超声悬浮装置制作方法，其特征在于，该装置采用超表面结构，该超表面结构由三维尺寸均对应相同的若干个单元拼接而成；每个单元包含若干倒放的柱状体，每个单元的柱状体之间设有使入射波折射后出射的孔隙；每个单元对不同波长的平面波进行折射后产生固定相位的出射声波；每个单元的出射声波相位与其纵截面形状相对应；先确定每个单元的出射声波的相位值，然后对应相位值采用遗传算法对每个单元的纵截面形状进行优化，得到每个单元的纵截面形状的优化解。

6.根据权利要求5所述的宽频超声悬浮装置制作方法，其特征在于，设超表面结构的底面为XY平面，底面中心为XY坐标原点，将单元分成两组；设纵截面形状相同的单元的集合为A_i，i＝1、2、…,n，n为集合A_i中单元的总数；设纵截面形状与其他单元均不相同的单元的集合为B_j，j＝1、2、…,k，k为集合B_j中单元的总数；确定n、k的值以及各单元的分布规律，建立各单元的中心坐标、各单元的出射声波相位与超表面结构输出声波之间的函数关系模型；设置模型精度；设置超声悬浮的目标声波，通过模型对各单元出射声波相位进行求解，得到各单元出射声波相位的值。

7.根据权利要求6所述的宽频超声悬浮装置制作方法，其特征在于，A_i中的单元相对X轴及Y轴均对称分布；B_i中的单元相对X轴及Y轴均对称分布。

8.根据权利要求7所述的宽频超声悬浮装置制作方法，其特征在于，B_i中的单元布设为近似以超表面结构的底面中心为圆心的圆形。

9.根据权利要求5所述的宽频超声悬浮装置制作方法，其特征在于，超表面结构由3D打印制成。

Images