CN114067778A - 一种高折射率平板声聚焦透镜及聚能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高折射率平板声聚焦透镜及聚能装置，由多个圆环型单层共振腔以预设的间距构成，每个共振腔包括C形腔壁、开口和腔体，C形腔壁形成腔体，开口位于C形腔壁的一侧，开口与声传输通道相连，声波沿声传输通道传播时，每个共振腔均为侧开型，由于侧开型单共振腔的共振调制作用，每个共振腔均能够实现高折射率。本发明只需单层共振腔即可组成声透镜，结构简单厚度低，便于批量快速制造，满足结构紧凑和轻量化需求。本发明通过单共振腔单元即可实现高折射率，无需利用折叠空间结构延长声传播距离，便于拓展结构形式，降低传输损耗。本发明可以广泛用于医学诊断、超声碎石、肿瘤热疗、缺陷检测、生物传感、液滴迁移、细胞迁移等领域。
Description
技术领域
本发明属于声学器件领域，具体涉及一种高折射率平板声聚焦透镜及聚能装置。
背景技术
聚焦和成像被广泛应用于日常生活中所用的产品、医疗器械、工业生产和检测等方面，因此在波动物理领域具有极其重要的地位。特别地，声聚焦可以用于医学诊断、超声碎石、肿瘤热疗、缺陷检测、生物传感、液滴迁移、细胞迁移等领域，具有重要的应用价值。声聚焦的研究和应用已经经历了数十年，一般通过声学透镜、扬声器阵列或时间反转镜等实现。声聚焦是一个将声束汇聚到一个点的过程，这个点可以看作是声成像中的一个像素点。当然，这里所说的一个点，严格意义上讲，应该是一个区域，这个区域的尺寸由聚焦的分辨率决定。提高分辨率可以有效提高设备的工作性能，比如在肿瘤热疗中，可以更加精确地定位病灶的位置，从而更清晰地分辨出肿瘤组织的细节特征。因此，对于几乎所有的应用而言，获得更高的分辨率一直是人们所追求的目标。
传统声聚焦透镜主要有两大类，一种是通过具有渐变几何形状的凹透镜或凸透镜实现聚焦，另一种是通过菲涅尔透镜实现聚焦。具有渐变几何形状的透镜一般具有球形、椭球形、抛物面等曲面形貌，通过渐变的材料分布实现梯度的折射率分布，进而实现声聚焦。这类透镜还可以进一步分为凸透镜和凹透镜两大类，要求材料具有较好的透声性。近二十年来大量发展起来的基于声子晶体和声学超材料的梯度折射率声透镜，可以看作是这类传统声透镜的一种派生结构，相当于是用人工微结构取代了原有的单一均匀材料。菲涅尔透镜则是一类基于声波衍射的声学透镜，声波通过不同尺寸的环形窄缝后，每个窄缝中出射的声波可以看作是一个次级声源，不同次级声源发出的声波之间会相互干涉。通过适当选择窄缝的结构参数，可以在前端实现声能聚焦。除了声学透镜，扬声器阵列是一种比较常用的声聚焦方法。扬声器阵列属于一种发射型相控阵列，是通过调节波前相位实现聚焦的。具体方法是，将扬声器排成一排或一个二维矩阵，然后控制每个扬声器的发射相位，使不同扬声器之间发射的信号之间有一个相位梯度，从而在前端实现声能聚焦。近年来发展起来的基于超表面的声学透镜，可以看作是发射型相控阵列的一种派生。除了上述两类聚焦方法外，法国物理学家M.Fink等人提出了一种基于时间反转镜的自适应聚焦方法。这种方法是从光学中的相位共轭方法发展起来的，其原理是经典波传播遵循互易性，即接收点和源点互换不会改变波的传播特性。因此，在接收位置发射时间反转后的信号，能够自动在源处实现聚焦。
为了提高聚焦和成像的分辨率，打破衍射极限是非常必要的。相关研究最早出现在光学领域，2000年，Pendry提出“完美透镜”的理念，有效刺激了光学系统中亚波长成像的发展，该理念在2001年为实验所证实。同时，由于声子晶体和声学超材料的提出，这种想法也激发了声学完美透镜的实施。无论是声子晶体还是超材料，主要都是通过构造具有梯度折射率或负折射率的结构来实现声聚焦。为了提高波与材料之间的相互作用，采用尽可能小的空间结构来操纵波，研究者们发展了超表面。超表面属于超材料的一类，是一种具有深度亚波长厚度，能够任意调制入射波的相位和幅值的超薄波前整形器件。在声学领域，有几种常见的单元可以构成声学超表面，例如，迷宫型结构、Helmholtz共振器结构、共振薄膜/板/壳结构等，以及这些基本类型结构的派生结构。其工作原理是根据广义斯涅耳定律，通过设计空间相位梯度结构使透射波或反射波的角度发生偏转，进而实现反常折射或反常反射等功能。对于聚焦而言，其类似于一种梯度渐变折射率棱镜的原理，通过适当设计的超表面可以实现超薄的平面声学透镜，其焦距和位置可以通过面内相位轮廓进行灵活的设计。
现有的声聚焦透镜中，基于梯度折射率超材料的超透镜和基于梯度波前相位超表面的超透镜均能以亚波长的平板结构，实现声聚焦。现有结构形式中，常用的单元类型有折叠空间结构单元和共振腔单元，其中共振腔单元一般需要在波传播方向上布置4层以上腔体，才能实现聚焦效果。这样，一方面，厚度方向尺寸较大，不利于结构的紧凑化和轻量化，而且传输损耗大；另一方面，结构较为复杂，不便于批量快速加工。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高折射率平板声聚焦透镜及聚能装置，可以通过简单的单共振腔结构在以空气为代表的气体或以水为代表的液体中获得高折射率，通过多个参数梯度分布的共振腔单元径向组成声透镜，可以实现宽度声聚焦功能，并通过在透射端布置一个反射腔体，获得一种可以实现宽带声能增益的新型声聚能装置。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种高折射率平板声聚焦透镜及聚能装置，由多个同轴布置的圆环型单层共振腔以预设的间距构成，每个共振腔包括C形腔壁、开口和腔体三部分，C形腔壁形成腔体，开口位于C形腔壁的一侧，开口与声传输通道相连，声波沿声传输通道传播时，每个共振腔均为侧开型，由于侧开型单共振腔的共振调制作用，每个共振腔均能够实现高折射率。
本发明进一步的改进在于，C形腔壁和腔体的具体形状和开口在声传播方向的具体位置不限。
本发明进一步的改进在于，将多个折射率按梯度分布的共振腔在径向进行排列，能够构造出声聚焦透镜，实现声能聚焦。
本发明进一步的改进在于，该装置能够在以空气为代表的气体介质中实现高折射率，也能够在以水为代表的液体介质中实现高折射率，在不同介质中工作时开口、腔体内和声传输通道内填充相应的工作介质。
本发明进一步的改进在于，在透镜一侧布置一个反射腔，构成一种声聚能装置，能够将聚焦声能局域在反射腔内，获得宽带声能增益。
本发明进一步的改进在于，声聚能装置同时利用了声透镜的聚焦作用、反射腔的几何多重反射作用、以及反射腔的共振作用，实现了声能的宽带聚集，增强效果优于单一作用原理的声聚能器。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
1、本发明只需一层共振腔即可组成声聚焦透镜，结构简单厚度低，便于批量快速制造，满足结构紧凑和轻量化需求；
2、本发明既可以用于空气等气体介质中声聚焦透镜和聚能装置的设计，也可以用于水等液体介质中声聚焦透镜和聚能装置的设计，具有广泛的应用前景；
3、本发明通过共振腔单元即可实现高折射率，无需利用折叠空间结构延长声传播距离，便于拓展结构形式，降低传输损耗，拓宽应用范围；
4、本发明中当各共振腔单元的折射率从中心到外侧按梯度由大到小分布时，可以实现宽带声聚焦功能；
5、本发明中通过在透镜的透射侧布置一个反射腔，即可形成一种特殊的声聚能器，将聚焦声能局域在腔体内，在很宽频带内获得较高的声能增益；
6、本发明中的声聚能器同时利用了声透镜的聚焦作用、反射腔的几何多重反射作用、以及反射腔的共振作用，因此声能增强效果优于单一作用原理的声聚能器。
综上所述，根据本发明的上述特点，本发明通过简单的单共振腔结构，即可实现高折射率，进而可以构造出声透镜和声聚能装置，实现宽带声聚焦和聚能功能。这种结构既可以在空气等气体介质中工作，也可以在水等液体介质中工作。结构简单厚度低，便于批量快速制造，满足结构紧凑和轻量化需求，具有广泛的应用前景。可以广泛用于医学诊断、超声碎石、肿瘤热疗、缺陷检测、生物传感、液滴迁移、细胞迁移等领域，具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明一种单共振腔声聚焦透镜结构剖面图。
图2为高折射率单共振腔结构尺寸参数示意图。
图3为构成声聚焦超透镜的6个单元的等效折射率计算结果。
图4为声聚焦透镜在设计频率处的声能聚焦计算结果。
图5为声聚焦透镜在4000～20000Hz频带内的聚焦声场计算结果。
图6a为由反射腔和平板透镜组成的水声聚能器结构示意图；图6b为不同频率处沿透镜轴向的声能分布；图6c为所设计的水声聚能器在不同频率处的声能聚集效果。
图7a为聚能效果测量设置示意图；图7b为布置波导及聚能器时和自由场时离声源不同距离下的声信号测量结果。
具体实施方式
下面结合附图中本发明实施案例的相关计算结果，对本发明实施案例中的技术方案进行说明。显然，所描述的实施案例仅仅是本发明的一部分实施案例，而非全部实施案例。基于本发明中的实施案例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施案例，都属于本发明保护的范围。
(一)梯度折射率单共振腔平板声聚焦透镜设计
作为实施案例，这里选择水作为工作介质，共振腔的腔壁为铝合金材料。由于这里设计的结构为轴对称结构，为了便于描述和减少计算量，通过二维轴对称模型进行计算和说明。设计的元胞及结构参数如附图2所示，元胞的径向宽度为s，厚度为h，共振腔的径向宽度为a，共振腔壁的厚度为w，共振腔颈部高度为d。通过建立声-固耦合有限元计算模型，在二维轴对称模块下，可以计算元胞的等效折射率、透射率等参数。保持其它参数不变，通过调整a可以改变元胞的折射率。任意选择工作频率为8000Hz，采用6个元胞在径向排成一排，进行声聚焦透镜设计。具体结构参数如下：s＝22.4mm，h＝30mm，w＝2mm，d＝2mm，共振腔的宽度由内到外分别为a1＝19.6mm，a2＝19.58mm，a3＝19.44mm，a4＝18.8mm，a5＝15.5mm，a6＝12.5mm。这里，这些元胞的等效折射率按双曲余弦函数规律梯度变化，中心元胞折射率最大，最外侧元胞折射率最小。由这6个元胞构成的声聚焦透镜的二维轴对称图如附图1所示，元胞的宽度从中心到外侧逐渐减小。元胞的等效折射率计算结果如附图3所示，可以看出，在设计频率8000Hz处，这6个元胞的等效折射率是梯度分布的，最大折射率为2.8，最小折射率为1.14。
通过声-固耦合有限元计算，得到所设计的声学透镜在设计频率处的聚焦效果，如附图4所示。可以看出，该声聚焦透镜可以实现良好的聚焦效果。此外，附图5中还列出了4000-20000Hz频带内的聚焦效果，可以看出，在6000Hz以上的整个很宽的频带内，该声聚焦透镜都具有良好的聚焦效果。也就是说，虽然这种声聚焦透镜是通过共振腔对声波进行调制的，但可以实现宽带声聚焦功能。
(二)基于平板透镜和反射腔的声聚能器设计
声波通过透镜后，会在异侧形成焦斑，如果将水听器布置在焦斑处，则可以提高探测信号的幅值。然而，这就会导致透镜和水听器是分离的，不便于应用。为此，本发明提出一种通过在透镜聚焦侧增加一个反射腔，将透射声能局域在腔体内部的声聚能器设计方法。当声波通过透镜实现聚焦后，聚焦声能会被限制在反射腔内，将水听器布置在反射腔中，即可采集到增强后的信号。由于聚焦声能会被在反射腔被多重反射，因此这种装置的聚能效果将比直接通过透镜聚焦的高。为了验证这种设计方法的可行性，在上述平板透镜结构的基础上，增加一个反射腔，设计了如附图6a所示的水声聚能器结构。在这种结构中，为了与水听器进行组合，在反射腔底面留一个开孔。为了得到这种聚能器的声能增强效果，建立了有限元全波模拟模型，计算了不同频率下的轴向声能分布和声场分布(幅值为声压的平方|P2|)，分别如附图6b和6c所示。从附图6b中可以看出，在设计频率8kHz处，轴向声能幅值始终维持在较高水平。与图不带反射腔的相比，幅值增加了4倍以上，表现出极为优异的声能增强效果。此外，在其它频率处，声能幅值也得到了大幅的提升，表明这种带反射腔的聚能器装置，能够在较宽频带内实现声能增强效果。总体而言，这种通过在声学透镜的聚焦侧布置反射腔的方法，可以将聚焦声能有效局域在较小的空间内，从而可以实现优异的声能增强。而且，可以想象，在反射腔的共振频率处，这种声能增强效果会更好。当然，由于这种聚能器的主要工作原理是对聚焦声能的几何操纵，所以共振不是必须的，其可以实现宽带声能增强效果。
为了验证声聚能器的声能增益效果，设计了两个过渡段，前波导一端与声源相连，另一端与声透镜相连；后波导一端与声透镜相连，另一端开一个可以插入水听器的圆孔。这样，通过将前波导、透镜和后波导组合，就可以形成波导环境的声学聚能器。测试原理如附图7a所示，波导的尺寸和透镜接近，后波导和声源直接有一段截面呈梯形的过渡段。声源发射声信号后，由透镜进行聚焦，然后通过插入前波导的水听器采集聚焦信号。前波导和后波导的长度均为0.3m，水听器布置在前波导的开孔处，距离透镜表面约0.3m，距离声源表面约0.6m。布置波导及透镜时的测量结果如附图7b所示，为了对比，还给出了自由场条件下离声源表面距离分别为0.3m和0.5m的测量结果。从附图中可以看出，布置波导和声透镜后，几乎在整个测量频带，信号幅值都得到了大幅的提高。如果与离声源表面0.5m的测量结果相比，几乎在全频带，幅值都增加了5倍以上，表现出优异的宽带声能增强效果。需要说明的是，由于前波导长度较长，所以会产生一定的共振，从而对声波起到一个共振增强效果，导致出现很高的峰和很低的低谷。但6kHz到7kHz，7.7kHz到8.3kHz，以及9kHz到10.9kHz这几个频带的增强效果受共振影响较小，主要是聚焦效果和腔壁的多重反射效果主导的。
根据上述数据可以看出，本发明能够达到的技术效果如下：
1、本发明只需一层共振腔即可组成声聚焦透镜，结构简单厚度低，便于批量快速制造，满足结构紧凑和轻量化需求；
2、本发明既可以用于空气等气体介质中声聚焦透镜和聚能装置的设计，也可以用于水等液体介质中声聚焦透镜和聚能装置的设计，具有广泛的应用前景；
3、本发明通过共振腔单元即可实现高折射率，无需利用折叠空间结构延长声传播距离，便于拓展结构形式，降低传输损耗，拓宽应用范围；
4、本发明中当各共振腔单元的折射率从中心到外侧按梯度由大到小分布时，可以实现宽带声聚焦功能；
5、本发明中通过在透镜的透射侧布置一个反射腔，即可形成一种特殊的声聚能器，将聚焦声能局域在腔体内，在很宽频带内获得较高的声能增益；
6、本发明中的声聚能器同时利用了声透镜的聚焦作用、反射腔的几何多重反射作用、以及反射腔的共振作用，因此声能增强效果优于单一作用原理的声聚能器。
综上所述，根据本发明的上述特点，本发明通过简单的单共振腔结构，即可实现高折射率，进而可以构造出声透镜和声聚能装置，实现宽带声聚焦和聚能功能。这种结构既可以在空气等气体介质中工作，也可以在水等液体介质中工作。结构简单厚度低，便于批量快速制造，满足结构紧凑和轻量化需求，具有广泛的应用前景。可以广泛用于医学诊断、超声碎石、肿瘤热疗、缺陷检测、生物传感、液滴迁移、细胞迁移等领域，具有重要的应用价值。
Claims (6)
1.一种高折射率平板声聚焦透镜及聚能装置，其特征在于，由多个同轴布置的圆环型单层共振腔以预设的间距构成，每个共振腔包括C形腔壁(1)、开口(2)和腔体(3)三部分，C形腔壁(1)形成腔体(3)，开口(2)位于C形腔壁(1)的一侧，开口(2)与声传输通道(4)相连，声波沿声传输通道(4)传播时，每个共振腔(2)均为侧开型，由于侧开型单共振腔(2)的共振调制作用，每个共振腔均能够实现高折射率。
2.通过权利要求1所述的一种高折射率平板声聚焦透镜及聚能装置，其特征在于，C形腔壁(1)和腔体(3)的具体形状和开口(2)在声传播方向的具体位置不限。
3.通过权利要求1所述的一种高折射率平板声聚焦透镜及聚能装置，其特征在于，将多个折射率按梯度分布的共振腔在径向进行排列，能够构造出声聚焦透镜，实现声能聚焦。
4.通过权利要求3所述的一种高折射率平板声聚焦透镜及聚能装置，其特征在于，该装置能够在以空气为代表的气体介质中实现高折射率，也能够在以水为代表的液体介质中实现高折射率，在不同介质中工作时开口(2)、腔体(3)内和声传输通道(4)内填充相应的工作介质。
5.通过权利要求3所述的一种高折射率平板声聚焦透镜及聚能装置，其特征在于，在透镜一侧布置一个反射腔，构成一种声聚能装置，能够将聚焦声能局域在反射腔内，获得宽带声能增益。
6.通过权利要求5所述的一种高折射率平板声聚焦透镜及聚能装置，其特征在于，声聚能装置同时利用了声透镜的聚焦作用、反射腔的几何多重反射作用、以及反射腔的共振作用，实现了声能的宽带聚集，增强效果优于单一作用原理的声聚能器。
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- 2021-10-20 CN CN202111223315.9A patent/CN114067778B/zh active Active
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|---|---|
| CN114067778B (zh) | 2024-08-16 |
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