CN114913842A - 一种双功能声学平面超透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双功能声学平面超透镜。超透镜开设有第一凹槽阵列、单狭缝和第二凹槽阵列；单狭缝开设在声学平面超透镜的中央且贯穿声学平面超透镜的顶端面与底端面，第一凹槽阵列在声学平面超透镜的顶端面，第二凹槽阵列开设在声学平面超透镜的底端面；圆柱体声学平面超透镜中第一圆形凹槽和第二圆形凹槽均以圆柱体单狭缝为中心自内向外等间距依次同轴阵列；长方体声学平面超透镜中第一条形凹槽和第二条形凹槽均以长方体单狭缝为中心对称分布在长方体单狭缝的两侧。本发明具有在大范围，宽频带情况下的声波聚焦和声源检测双功能，且便于安装在声学检测探头上，可移植能力强。

Description

一种双功能声学平面超透镜
技术领域
本发明涉及了声学超表面领域的一种声学平面超透镜，尤其涉及一种双功能声学平面超透镜。
背景技术
声学超表面是类比光学超表面设计的，在提出了广义斯涅尔定律后，研究人员提出了设计具有相位突变的声学超表面，通过人工设计将一系列亚波长尺寸的人工微结构按照特定的方式组合，实现对透射或反射声波的特殊调控，比如：异常透射、负折射、平面波聚焦和自弯曲声场等。相比于声学超材料，声学超表面的厚度小于工作频率波长的厚度，具有小尺寸材料控制大波场的特点，具有制作损耗相对较低，体积小，厚度薄等优势，在声学研究领域表现出了极大的研究价值和广泛的应用前景，因此引起了科学界和工程界的极大关注。
随着机械加工技术的微小化和精密化，声学超表面呈现出小型化、集成化和多功能化的发展趋势，目前多数已设计出的声学超表面都是由拓扑结构相似的透射型频率选择结构单元构成的，通过将多个相位调制大小不同的单个超表面单元进行简单的阵列组装到一起，在实际使用之前，需事先将阵列结构进行排列和组装为一体，因此设计效率不高。
同时，目前用于相位调节的超表面单元大多是基于共振的腔式结构和基于声程差的弯曲结构，由这些阵列组成的超表面结构的厚度较厚或加工较为困难。因此，本文使用厚度较薄的双功能声学平面超透镜，在上下表面上分别加工非周期性和周期性的凹槽阵列，实现相位调制和倏逝波加强，并通过连接平板上下表面的中间单狭缝实现平板超表面上下表面声场的联通，可有效的将表面倏逝波和散射柱面波结合在一起用于后续的加强聚焦。
根据惠更斯理论，声源激励的声场在向前传播过程中会发生严重的散射，导致常规的探头只能在近场位置对声源情况进行高质量的检测和分辨，同样，缺陷等散射体的散射声场也无法被远场放置的常规探头精准定位。这就导致了远场布置的常规探头无法“看清”声源位置或缺陷位置，对探头布置的位置提出了新的要求。声学超表面的出现和发展逐渐为传统的声学检测提供了新思路和新途径，因此将声学超表面应用于传统的声学检测领域成为了超表面领域发展的新的研究方向。目前，大多数声学超表面的主要工作在透射或反射的单一模式下，用于实现声场的异常偏折，声隐身或声能量的聚焦的单一功能。由此可见，目前已有报道的超表面器件主要存在工作模式单一、需要多组超单元符合或者多层非对称结构才能实现不同功能，且还未应用于传统的声学缺陷检测领域。因此，本申请提出一种可以实现远场加强聚焦和检测的双功能的单狭缝凹槽阵列双功能声学平面超透镜。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，针对现有探头无法在远场看清声源或缺陷位置，以及现有超表面的结构复杂、厚度方向尺寸较大以及工作模式单一等方面存在的不足。本发明提供了一种基于平板式超表面的声波聚焦和声源检测的双功能器件，将开设有单狭缝和凹槽阵列的一种双功能声学平面超透镜直接安装在检测探头上，不需要额外的设备，即可实现远场的加强声能聚焦和在远场的声源或缺陷检测。
本发明提出的一种双功能声学平面超透镜，不仅可以主动实现探头入射声场在远场位置的声能聚焦，还能被动的在远场位置接收声源或散射体的声场，从而实现对远场位置的声源或者缺陷等散射体位置的检测和确定。
本发明采用的技术方案为：
一、一种双功能声学平面超透镜
所述的声学平面超透镜开设有第一凹槽阵列、单狭缝和第二凹槽阵列；所述单狭缝开设在声学平面超透镜的中央且贯穿声学平面超透镜的顶端面与底端面，所述第一凹槽阵列开设在声学平面超透镜的顶端面且分布在单狭缝周围，所述第二凹槽阵列开设在声学平面超透镜的底端面且分布在单狭缝周围；第一凹槽阵列是由多个第一凹槽阵列布置形成，第二凹槽阵列是由多个第二凹槽阵列布置形成，所述声学平面超透镜放置在探头的振动表面之上，声波沿声学平面超透镜的法向经过声学平面超透镜。
所述声学平面超透镜为圆柱体声学平面超透镜；圆柱体声学平面超透镜的单狭缝为圆柱体单狭缝，所述圆柱体声学平面超透镜的第一凹槽阵列主要由多个第一圆形凹槽组成，所述多个第一圆形凹槽均以圆柱体单狭缝为中心自内向外依次同轴阵列，且相邻两个第一圆形凹槽之间的间距均相同；所述圆柱体声学平面超透镜的第二凹槽阵列主要由多个第二圆形凹槽组成，所述多个第二圆形凹槽均以圆柱体单狭缝为中心自内向外依次同轴阵列，且相邻两个第二圆形凹槽之间的间距均相同。
所述声学平面超透镜为长方体声学平面超透镜，长方体声学平面超透镜的单狭缝为长方体单狭缝，所述长方体声学平面超透镜的第一凹槽阵列主要由多个第一条形凹槽组成，所述多个第一条形凹槽以长方体单狭缝为中心对称分布在长方体单狭缝的两侧，且相邻两个第一条形凹槽之间的间距均相同；所述长方体声学平面超透镜的第二凹槽阵列主要由多个第二条形凹槽组成，所述多个第二条形凹槽以长方体单狭缝为中心对称分布在长方体单狭缝的两侧，且相邻两个第二条形凹槽之间的间距均相同。
所述圆柱体单狭缝的宽度为声波工作波长的亚波长尺寸，每个第一圆形凹槽和每个第二圆形凹槽的宽度、深度也均为声波工作波长的亚波长尺寸；每个所述第一圆形凹槽的宽度均相同，但是每个第一圆形凹槽的深度各不相同；每个所述第二圆形凹槽的宽度均相同，且每个第二圆形凹槽的深度也均相同；所述第一凹槽阵列中相邻两个第一圆形凹槽之间的间距与所述第二凹槽阵列中相邻两个第二圆形凹槽之间的间距均不相等。
所述长方体单狭缝的宽度为声波工作波长的亚波长尺寸，每个第一条形凹槽和每个第二条形凹槽的宽度、深度也均为声波工作波长的亚波长尺寸；每个所述第一条形凹槽的宽度均相同，但是每个第一条形凹槽的深度各不相同；每个所述第二条形凹槽的宽度均相同，且每个第二条形凹槽的深度也均相同；所述第一凹槽阵列中相邻两个第一条形凹槽之间的间距与所述第二凹槽阵列中相邻两个第二条形凹槽之间的间距均不相等。
所述第一凹槽的深度均通过公式计算得到；由第i个第一凹槽距离单狭缝中心轴线的距离xi根据以下公式得到第i个第一凹槽对声波相位的调制量
Figure BDA0003623568630000031
Figure BDA0003623568630000032
式中，m为任意正整数，xi是第i个第一凹槽距离单狭缝中心轴线的距离，L是声学平面超透镜的焦距，k0是背景声波的波数，
Figure BDA0003623568630000033
是第i个第一凹槽对声波相位的调制量，λ是超透镜的声波工作波长；
由第i个第一凹槽对声波相位的调制量
Figure BDA0003623568630000034
根据以下公式得到第i个第一凹槽的深度h(xi)：
Figure BDA0003623568630000035
式中，h(xi)是第i个第一凹槽的深度。
所述声学平面超透镜通过法兰连接件安装在探头的振动表面之上，且声学平面超透镜的底端面与探头的振动表面平行正对间隔布置，且声学平面超透镜的底端面与探头的振动表面之间的间距为1～5mm。
二、一种双功能声学平面超透镜的声波聚焦方法
声波聚焦方法具体包括以下过程：首先利用探头向上发射平面波，所述平面波达到声学平面超透镜底端面后，平面波中的一部分直接通过单狭缝入射到声学平面超透镜顶端面形成传播波，所述平面波的另一部分在单狭缝结构和第二凹槽阵列结构作用下发生多重散射形成散射波，所述散射波包括沿单狭缝轴线方向传播的柱面传播波和沿声学平面超透镜底端面传播的倏逝表面波；然后，所述的传播波、散射波中的柱面传播波以及散射波中的倏逝表面波将同时通过单狭缝共同入射到声学平面超透镜的顶端面上，然后第一凹槽阵列对从单狭缝入射的传播波、散射波中的柱面传播波以及散射波中的倏逝表面波进行相位调制，使得传播波、散射波中的柱面传播波以及散射波中的倏逝表面波同时在声学平面超透镜顶端面上方的焦点处进行聚焦。
三、一种双功能声学平面超透镜的声源检测方法
声源检测方法具体包括以下过程：首先将安装有探头的声学平面超透镜的顶端面在待测声源附近进行扫查，待测声源或散射体向外发射的散射声波入射到声学平面超透镜顶端面上，第一凹槽阵列对所述散射声波进行相位调制得到同相位的表面波，此时同相位的表面波经过声学平面超透镜底端面上的第二凹槽阵列不能被捕获，同相位的表面波传递到单狭缝处后通过单狭缝传播到声学平面超透镜底端面时直接被探头接收，实现对待测声源的检测和位置分辨。
声学平面超透镜检测到的待测声源的位置到达声学平面超透镜的垂直距离与声学平面超透镜的焦距相同。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明利用周期性的凹槽阵列和非周期凹槽阵列可实现远场聚焦和检测双功能，首先，通过将被下表面周期性凹槽阵列结构“捕获”的表面倏逝波和直接透射过单狭缝单元的入射波结合起来同时传播到上表面非周期性凹槽阵列中进行相位调制，可以实现远场能量的加强聚焦；同时，非周期凹槽阵列还可以将散射体的入射场在双功能声学平面超透镜的上表面进行相位的反调制，从而将位于焦距焦点位置的散射体的入射到超表面的散射波调制成同相位情况，从而实现声场的加强，并被探头接收，从而实现远场的声源检测。
(2)本发明使用的平板式的超表面，厚度较薄，且表面较为平整，可以方便的安装到市面上已有的探头上，装卸方便且适配性较好。同时，该结构实现声场聚焦和散射体检测不是基于共振的原理实现的，因此在远场检测时可以实现宽频检测，且此时的探头-超表面结构位置的鲁棒性较好，可以实现探头放置位置微小移动后仍实现声源或散射体的远场检测。
附图说明
图1是本发明使用时的结构示意图；
图2是本发明实施例1三维结构示意图；
图3是本发明实施例2三维结构示意图；
图4是本发明的二维剖面图；
图5是本发明实施聚焦功能时的声波远场分布图；
图6是本发明本发明实施声源检测功能时声波分布的二维图；
图7是本发明本发明实施声源检测功能时声波分布的三维图；
图8是本发明实施声源检测功能时改变探头和平面式超表面设置的位置后，得到的大范围的检测成像图。
图中所示：1、声学平面超透镜；11、第一圆形凹槽；12、圆柱体单狭缝；13、第二圆形凹槽；2、法兰连接件；3、探头。
具体实施方式
为使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，声学平面超透镜1开设有第一凹槽阵列、单狭缝和第二凹槽阵列；单狭缝开设在声学平面超透镜1的中央且贯穿声学平面超透镜1的顶端面与底端面，单狭缝的厚度尺寸等于此时声学平面超透镜1的厚度，为波长级别，用于联通声学平面超透镜1的上下表面，第一凹槽阵列开设在声学平面超透镜1的顶端面且分布在单狭缝周围，第二凹槽阵列开设在声学平面超透镜1的底端面且分布在单狭缝周围；第一凹槽阵列是由多个第一凹槽阵列布置形成，第二凹槽阵列是由多个第二凹槽阵列布置形成，声学平面超透镜1放置在探头3的振动表面之上。探头3发射的声波达到声学平面超透镜1底端面后，通过单狭缝入射到声学平面超透镜1的顶端面上，待测声源发射的声波达到声学平面超透镜1顶端面后，通过单狭缝入射到声学平面超透镜1的底端面上。
如图2所示，声学平面超透镜1为圆柱体声学平面超透镜；圆柱体声学平面超透镜的单狭缝为圆柱体单狭缝12，圆柱体声学平面超透镜的第一凹槽阵列主要由多个第一圆形凹槽11组成，即第一凹槽采用为第一圆形凹槽11，多个第一圆形凹槽11均以圆柱体单狭缝12为中心自内向外依次同轴阵列，且相邻两个第一圆形凹槽11之间的间距均相同；圆柱体声学平面超透镜1的第二凹槽阵列主要由多个第二圆形凹槽13组成，多个第二圆形凹槽13均以圆柱体单狭缝12为中心自内向外依次同轴阵列，且相邻两个第二圆形凹槽11之间的间距均相同；圆柱体声学平面超透镜的圆柱体单狭缝12为通孔，优选的，相邻两个第二圆形凹槽13之间的间距等于声波波长。
如图3所示，声学平面超透镜1为长方体声学平面超透镜，长方体声学平面超透镜的单狭缝为长方体单狭缝，长方体声学平面超透镜的第一凹槽阵列主要由多个第一条形凹槽组成，即第一凹槽采用为第一条形凹槽，多个第一条形凹槽以长方体单狭缝为中心对称分布在长方体单狭缝的两侧，且相邻两个第一条形凹槽之间的间距均相同；长方体声学平面超透镜的第二凹槽阵列主要由多个第二条形凹槽组成，多个第二条形凹槽以长方体单狭缝为中心对称分布在长方体单狭缝的两侧，且相邻两个第二条形凹槽之间的间距均相同；长方体声学平面超透镜的长方体单狭缝为矩形通槽。
如图4所示，圆柱体单狭缝12的宽度为声波工作波长的亚波长尺寸，每个第一圆形凹槽11和每个第二圆形凹槽13的宽度、深度也均为声波工作波长的亚波长尺寸；每个声学平面超透镜1顶端面开设的第一圆形凹槽11的宽度均相同，但是声学平面超透镜1顶端面开设的每个第一圆形凹槽11的深度各不相同；每个声学平面超透镜1底端面开设的第二圆形凹槽13的宽度均相同，且声学平面超透镜1底端面开设的每个第二圆形凹槽13的深度也均相同；第一凹槽阵列中相邻两个第一圆形凹槽11之间的间距与第二凹槽阵列中相邻两个第二圆形凹槽13之间的间距均不相等。
长方体单狭缝的宽度为声波工作波长的亚波长尺寸，每个第一条形凹槽和每个第二条形凹槽的宽度、深度也均为声波工作波长的亚波长尺寸；每个声学平面超透镜1顶端面开设的第一条形凹槽的宽度均相同，但是声学平面超透镜1顶端面开设的每个第一条形凹槽的深度各不相同；每个声学平面超透镜1底端面开设的第二条形凹槽的宽度均相同，且声学平面超透镜1底端面开设的每个第二条形凹槽的深度也均相同；第一凹槽阵列中相邻两个第一条形凹槽之间的间距与第二凹槽阵列中相邻两个第二条形凹槽之间的间距均不相等。
优选的，声学平面超透镜1的组成材料为在工作波段内与水或空气背景介质阻抗不匹配的金属材料，凹槽均通过激光技术加工获得。
圆柱体声学平面超透镜中每个第一圆形凹槽11的深度以及长方体声学平面超透镜中每个第一条形凹槽的深度均通过以下公式计算得到；由第i个第一凹槽距离单狭缝中心轴线的距离xi结合公式得到第i个第一凹槽对声波相位的调制量
Figure BDA0003623568630000061
具体公式为：
Figure BDA0003623568630000062
式中，m为任意正整数，xi是第i个第一凹槽距离单狭缝中心轴线的距离，L是声学平面超透镜1的焦距，k0是背景声波的波数，
Figure BDA0003623568630000063
是第i个第一凹槽对声波相位的调制量，λ是超透镜的声波工作波长；
由第i个第一凹槽对声波相位的调制量
Figure BDA0003623568630000071
结合公式得到第i个第一凹槽的深度h(xi)，具体公式为：
Figure BDA0003623568630000072
式中，h(xi)是第i个第一凹槽的深度。
声学平面超透镜1通过法兰连接件2安装在探头3的振动表面之上，且声学平面超透镜1的底端面与探头3的振动表面平行正对间隔布置，且声学平面超透镜1的底端面与探头3的振动表面之间的间距为1～5mm，探头3为超声压电探头，主要用于超声无损检测中，工作带宽较宽，可达80％。
实施例1
本实施例中，基于双功能声学平面超透镜的声波聚焦功能和声源检测功能在水下实现，其中探头3的工作频率f＝300kHz，声学平面超透镜1的材料为与水的阻抗不匹配的不锈钢金属，第一凹槽阵列、单狭缝和第二凹槽阵列均是使用激光切割的方式在不锈钢平板上加工得到的。
此时声学平面超透镜1的焦距L＝45mm，声波波长λ＝5mm，声学平面超透镜1的厚度H＝4.5mm，第一凹槽阵列由9个第一圆形凹槽组成，第二凹槽阵列由9个第二圆形凹槽组成。
第一圆形凹槽11的宽度均为0.5mm，相邻两个第一圆形凹槽11的间隔均为4mm，9个第一圆形凹槽11的深度自外向内分别为：2.2mm，2.4mm，3mm，2.9mm，3.2mm，0.7mm，3.4mm，3.3mm，0.4mm；圆柱体单狭缝12的宽度为0.5mm，深度为4.5mm；第二圆形凹槽13的宽度均为0.5mm，相邻两个第二圆形凹槽13之间的间隔5mm，9个第二圆形凹槽13的深度均为0.5mm。
实施例2
本实施例中，基于双功能声学平面超透镜的声波聚焦功能和声源检测功能在水下实现，其中探头3的工作频率f＝300kHz，声学平面超透镜1的材料为与水的阻抗不匹配的不锈钢金属，第一凹槽阵列、单狭缝和第二凹槽阵列均是使用激光切割的方式在不锈钢平板上加工得到的。
此时声学平面超透镜1的焦距L＝45mm，声波波长λ＝5mm，声学平面超透镜1的厚度H＝4.5mm，第一凹槽阵列由18个第一条形凹槽组成，第二凹槽阵列由18个第二条形凹槽组成。
第一条形凹槽的宽度均为0.5mm，相邻两个第一条形凹槽的间隔均为4mm，声学平面超透镜顶端面上长方体单狭缝一侧的9个第一条形凹槽的深度自外向内分别为：2.2mm，2.4mm，3mm，2.9mm，3.2mm，0.7mm，3.4mm，3.3mm，0.4mm；长方体单狭缝另一侧9个第一条形凹槽的深度自外向内分别为：2.2mm，2.4mm，3mm，2.9mm，3.2mm，0.7mm，3.4mm，3.3mm，0.4mm；长方体单狭缝的宽度为0.5mm，深度为4.5mm；第二条形凹槽的宽度均为0.5mm，相邻两个第二条形凹槽之间的间隔5mm，18个第二条形凹槽的深度均为0.5mm。
下面，结合附图对本发明实施例1和施例2中声学平面超透镜1的声波聚焦功能和声源检测功能的实现作详细说明。
应用于声学平面超透镜1的远场声波聚焦方法具体包括以下过程：首先利用探头3向上发射平面波。平面波达到声学平面超透镜1底端面后，平面波中的一部分直接通过单狭缝入射到声学平面超透镜1顶端面形成传播波；平面波的另一部分在单狭缝结构和第二凹槽阵列结构作用下发生多重散射形成散射波，散射波包括沿单狭缝轴线方向传播的柱面传播波和沿声学平面超透镜底端面传播的倏逝表面波；具体的，第二凹槽阵列将平面波中周期性分布的倏逝波成分捕获在声学平面超透镜1的底端面上形成倏逝表面波，且倏逝表面波为沿声学平面超透镜1的底端面进行传播的平面波；然后，传播波、散射波中的柱面传播波以及散射波中的倏逝表面波将同时通过单狭缝共同入射到声学平面超透镜1的顶端面上，然后，第一凹槽阵列对从单狭缝入射的传播波、散射波中的柱面传播波以及散射波中的倏逝表面波进行相位调制，使得传播波、散射波中的柱面传播波以及散射波中的倏逝表面波同时在声学平面超透镜1顶端面上方的焦点处进行远场聚焦。
因此，通过声学平面超透镜1底端面第二凹槽阵列对入射平面波的加强作用，以及声学平面超透镜1顶端面第一凹槽阵列对传播波、散射波中的柱面传播波以及散射波中的倏逝表面波的相位调制作用，使得声学平面超透镜1可以对入射平面波进行加强后的远场聚焦。因此相较于底端面没有开设第二凹槽阵列的声学平面超透镜1，此时有更多的能量参与到后续的声场聚焦。
如图5所示，当探头3发射出频率为300kHz的平面声波入射到声学平面超透镜1底端面后，在声学平面超透镜1的上方形成透射声聚焦，显示云图为声强云图，在目标焦点L＝45mm的位置出现了较强的声强聚焦。仿真效果显示，保持第二凹槽阵列和单狭缝尺寸参数不变的情况下，开设第一凹槽阵列的声学平面超透镜1聚焦后的声波强度是未开设第一凹槽阵列的声学平面超透镜1聚焦后的声波强度的5倍。
应用于声学平面超透镜1的声源检测方法具体包括以下过程：
首先将安装有探头3的声学平面超透镜1的顶端面在待测声源附近进行扫查，使得待测声源或散射体向外发射的散射声波入射到声学平面超透镜1顶端面上，当有待测声源或散射体刚好位于声学平面超透镜1的焦点位置时，声学平面超透镜1顶端面的第一凹槽阵列对散射声波进行相位调制，得到同相位的表面波，而此时声学平面超透镜1底端面上的第二凹槽阵列几乎不能对表面波的倏逝波成分进行捕获，因为声源检测时的散射声波是瞬态情况，且从单狭缝中入射的表面波不是平面波而是球面波。使得同相位的表面波在通过单狭缝传播到声学平面超透镜1底端面时直接被探头3接收，实现对待测声源的检测和位置分辨。
在探头3的移动过程中，位于目标聚焦位置之外的声源或散射体，其入射到声学平面超透镜1顶端面上的散射声波并没有被声学平面超透镜1的第一凹槽阵列调制为同相位的表面波，因此，非同相位的散射波通过单狭缝传播到声学平面超透镜1底端面被探头3接收时，并没有产生声场加强的效果。因此探头3在扫查过程中，使得远场待测声源或散射体刚好位于声学平面超透镜1的目标聚焦位置处以获得能量最强的声场，从而实现对远场待测声源或散射体的位置检测。
如图6和图7所示，当工作频率为300kHz的两个分离的点声源作为被测声散射体时，当使用安装有声学平面超透镜1的探头3在远场位置移动扫查时，远场位置即以声源为中心辐射半径为9λ的范围内。得到的声场分布情况和没有装配声学平面超透镜1的探头3在近场位置和远场位置得到的声场分布情况可以看出，单纯的使用探头3只能在距离被测散射体很近的平面进行检测时才能实现声源的检测，但是远场位置两点声源将产生干涉，从而导致探头3检测到干涉条纹，而无法准确定位被测散射体的位置，但是当装配声学平面超透镜1的探头3在远场进行声源的检测和定位时，可以准确的定位出此时的点声源位置，大大提高了声散射体的检测范围。
进行声波聚焦时，只需保持与声学平面超透镜1连接的探头3固定在单个位置即可；而进行声源检测时，需要将安装有探头3的声学平面超透镜1的顶端面在待测声源附近进行平移扫查。
具体的，声学平面超透镜1检测到的待测声源的位置到达声学平面超透镜1的垂直距离与声学平面超透镜1的焦距相同。
如图8所示，由于声学平面超透镜1加强聚焦的原理不是基于共振的原理，因此可以在宽频情况下进行声波聚焦，同时使用声学平面超透镜可以实现大范围情况下的声散射体检测，有效地提高了检测的频率和扫查位置的鲁棒性。
此外，在没有外部声源干扰的情况下，本发明可以进行声波聚焦和声源检测两个功能的转换从而实现对待测构件缺陷的检测。具体为：探头3首先发射特定频率的入射声波，此时探头3发射的入射声波在焦点处聚焦，若待测构件缺陷此时正好位于焦点处，则待测构件缺陷对聚焦的声波进行反射，形成散射声波，此时待测构件缺陷反射的散射体刚好位于声学平面超透镜1焦点位置处，由于声学平面超透镜的声源检测功能，可以直接检测到散射体的位置。此时，对于在一定范围内进行扫查的探头3来说，在其扫查区域内，当待测构件缺陷刚好处于声学平面超透镜1的焦点位置时，探头3接收到的声能最大。因此，可以准确定位待测构件缺陷的位置，实现了在远场位置处对待测构件缺陷的定位。
本发明能够实现聚焦和检测的位置远于声波工作波长的位置，不同结构的声学平面超透镜1对散射声波的聚焦位置和检测到的被测声源的位置将不同。
需要说明的是，以上仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，本发明提出的用于实现聚焦和远场检测的双功能超表面不仅可以用于本发明单狭缝双凹槽结构的超表面，还可以用于其他的类似结构的声学超表面实现单一结构同时实现聚焦和远场检测的双功能。

Claims (10)

1.一种双功能声学平面超透镜，其特征在于：所述的声学平面超透镜(1)开设有第一凹槽阵列、单狭缝和第二凹槽阵列；所述单狭缝开设在声学平面超透镜(1)的中央且贯穿声学平面超透镜(1)的顶端面与底端面，所述第一凹槽阵列开设在声学平面超透镜(1)的顶端面且分布在单狭缝周围，所述第二凹槽阵列开设在声学平面超透镜(1)的底端面且分布在单狭缝周围；第一凹槽阵列是由多个第一凹槽阵列布置形成，第二凹槽阵列是由多个第二凹槽阵列布置形成，所述声学平面超透镜(1)放置在探头(3)的振动表面之上，声波沿声学平面超透镜(1)的法向经过声学平面超透镜(1)。
2.根据权利要求1所述的一种双功能声学平面超透镜，其特征在于：所述声学平面超透镜(1)为圆柱体声学平面超透镜；圆柱体声学平面超透镜的单狭缝为圆柱体单狭缝(12)，所述圆柱体声学平面超透镜的第一凹槽阵列主要由多个第一圆形凹槽(11)组成，所述多个第一圆形凹槽(11)均以圆柱体单狭缝(12)为中心自内向外依次同轴阵列，且相邻两个第一圆形凹槽(11)之间的间距均相同；所述圆柱体声学平面超透镜(1)的第二凹槽阵列主要由多个第二圆形凹槽(13)组成，所述多个第二圆形凹槽(13)均以圆柱体单狭缝(12)为中心自内向外依次同轴阵列，且相邻两个第二圆形凹槽(11)之间的间距均相同。
3.根据权利要求1所述的一种双功能声学平面超透镜，其特征在于：所述声学平面超透镜(1)为长方体声学平面超透镜，长方体声学平面超透镜的单狭缝为长方体单狭缝，所述长方体声学平面超透镜的第一凹槽阵列主要由多个第一条形凹槽组成，所述多个第一条形凹槽以长方体单狭缝为中心对称分布在长方体单狭缝的两侧，且相邻两个第一条形凹槽之间的间距均相同；所述长方体声学平面超透镜的第二凹槽阵列主要由多个第二条形凹槽组成，所述多个第二条形凹槽以长方体单狭缝为中心对称分布在长方体单狭缝的两侧，且相邻两个第二条形凹槽之间的间距均相同。
4.根据权利要求2所述的一种双功能声学平面超透镜，其特征在于：所述圆柱体单狭缝(12)的宽度为声波工作波长的亚波长尺寸，每个第一圆形凹槽(11)和每个第二圆形凹槽(13)的宽度、深度也均为声波工作波长的亚波长尺寸；每个所述第一圆形凹槽(11)的宽度均相同，但是每个第一圆形凹槽(11)的深度各不相同；每个所述第二圆形凹槽(13)的宽度均相同，且每个第二圆形凹槽(13)的深度也均相同；所述第一凹槽阵列中相邻两个第一圆形凹槽(11)之间的间距与所述第二凹槽阵列中相邻两个第二圆形凹槽(13)之间的间距均不相等。
5.根据权利要求3所述的一种双功能声学平面超透镜，其特征在于：所述长方体单狭缝的宽度为声波工作波长的亚波长尺寸，每个第一条形凹槽和每个第二条形凹槽的宽度、深度也均为声波工作波长的亚波长尺寸；每个所述第一条形凹槽的宽度均相同，但是每个第一条形凹槽的深度各不相同；每个所述第二条形凹槽的宽度均相同，且每个第二条形凹槽的深度也均相同；所述第一凹槽阵列中相邻两个第一条形凹槽之间的间距与所述第二凹槽阵列中相邻两个第二条形凹槽之间的间距均不相等。
6.根据权利要求2-3任一所述的一种双功能声学平面超透镜，其特征在于：所述第一凹槽的深度均通过公式计算得到；由第i个第一凹槽距离单狭缝中心轴线的距离xi根据以下公式得到第i个第一凹槽对声波相位的调制量
Figure FDA0003623568620000021
Figure FDA0003623568620000022
式中，m为任意正整数，xi是第i个第一凹槽距离单狭缝中心轴线的距离，L是声学平面超透镜(1)的焦距，k0是背景声波的波数，
Figure FDA0003623568620000023
是第i个第一凹槽对声波相位的调制量，λ是超透镜的声波工作波长；
由第i个第一凹槽对声波相位的调制量
Figure FDA0003623568620000024
根据以下公式得到第i个第一凹槽的深度h(xi)：
Figure FDA0003623568620000025
式中，h(xi)是第i个第一凹槽的深度。
7.根据权利要求1所述一种双功能声学平面超透镜，其特征在于：所述声学平面超透镜(1)通过法兰连接件(2)安装在探头(3)的振动表面之上，且声学平面超透镜(1)的底端面与探头(3)的振动表面平行正对间隔布置，且声学平面超透镜(1)的底端面与探头(3)的振动表面之间的间距为1～5mm。
8.应用于权利要求1-7任一所述一种双功能声学平面超透镜的声波聚焦方法，其特征在于，声波聚焦方法具体包括以下过程：首先利用探头(3)向上发射平面波，所述平面波达到声学平面超透镜(1)底端面后，平面波中的一部分直接通过单狭缝入射到声学平面超透镜(1)顶端面形成传播波，所述平面波的另一部分在单狭缝和第二凹槽阵列作用下发生多重散射形成散射波，所述散射波包括沿单狭缝轴线方向传播的柱面传播波和沿声学平面超透镜底端面传播的倏逝表面波；然后，所述的传播波、散射波中的柱面传播波以及散射波中的倏逝表面波将同时通过单狭缝共同入射到声学平面超透镜(1)的顶端面上，然后第一凹槽阵列对从单狭缝入射的传播波、散射波中的柱面传播波以及散射波中的倏逝表面波进行相位调制，使得传播波、散射波中的柱面传播波以及散射波中的倏逝表面波同时在声学平面超透镜(1)顶端面上方的焦点处进行聚焦。
9.应用于权利要求1-7任一所述一种双功能声学平面超透镜的声源检测方法，其特征在于，声源检测方法具体包括以下过程：首先将安装有探头(3)的声学平面超透镜(1)的顶端面在待测声源附近进行扫查，待测声源或散射体向外发射的散射声波入射到声学平面超透镜(1)顶端面上，第一凹槽阵列对所述散射声波进行相位调制得到同相位的表面波，此时同相位的表面波经过声学平面超透镜(1)底端面上的第二凹槽阵列不能被捕获，同相位的表面波传递到单狭缝处后通过单狭缝传播到声学平面超透镜(1)底端面时直接被探头(3)接收，实现对待测声源的检测和位置分辨。
10.根据权利要求9所述的声源检测方法，其特征在于，声学平面超透镜(1)检测到的待测声源的位置到达声学平面超透镜(1)的垂直距离与声学平面超透镜(1)的焦距相同。
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