CN207319681U - 一种声场成像菲涅尔透镜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种声场成像聚焦透镜，具体涉及声波衍射以及最优化设计方法技术领域。所述声场成像菲涅尔透镜包括圆形中心和以圆形中心为环心的同心环透镜体；所述多个同心环透镜体通过支臂与圆形中心固定为一体。所述声场成像菲涅尔透镜具有体积小，结构简单，性能好等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种声场成像聚焦透镜，具体涉及声波衍射以及最优化设计方法技术领域。
背景技术
目前超声波的应用主要可分为功率超声和检测超声，前者包括焊接、粉碎、清洗等；而后者在军事上应用于雷达定位等，在医学上作为重要的检测手段，常用于超声成像。而这些应用都离不开对超声的聚焦。
在功率超声方面，一束被良好聚焦的超声波可提高被探测区域局部声压，可以在较小的空间尺度上汇聚更大的能量，并获得较高的能量利用率，而且对目标附近区域的影响可以减小到最低。适用于精细操作，或对局部空间有大功率要求的应用场景。在检测超声方面，超声波的聚焦精细程度直接决定了成像的空间分辨率。综上，如何高效、精确地聚焦超声波是提高超声设备性能需解决的一个重要问题。
目前已开发比较成熟的声波聚焦器件有声透镜，反射镜，声波导等，其原理可由相应光学器件工作原理类比而来，即改变声程长度，将平面波或扩散波变换成汇聚波，进而形成焦点。而应用衍射原理进行声场成像的技术尚不成熟，大多因为无法有效解决虚焦点对成像的巨大影响而无法实用。
实用新型内容
本实用新型为了解决现有菲涅尔透镜的低效、聚焦超声波精确度低以及体积较大的问题，提出了一种声场成像菲涅尔透镜，所采取的技术方案如下：
一种声场成像菲涅尔透镜，所述声场成像菲涅尔透镜包括圆形中心1和以圆形中心为环心的同心环透镜体2；所述多个同心环透镜体通过支臂3与圆形中心1固定为一体。
进一步地，所述同心环透镜体2采用环数为5环的同心环体；相连的两个环体之间设有环体间缝隙4，并形成沿圆心中心1向外延伸的方向环形排列的四级环体间缝隙4；所述圆形中心 1与直径最小的环体之间设有缝隙5。
进一步地，所述环体间缝隙4的宽度沿圆心中心1向外延伸的方向逐级递减；所述缝隙5 的宽度值大于宽度最大的环体间缝隙4的宽度值。
进一步地，所述同心环透镜体2中的同心环的宽度值沿圆心中心1向外延伸的方向逐级递减。
进一步地，所述声场成像菲涅尔透镜上设有三个支臂3；所述三个支臂3的一端固定连接在圆形中心1上，并且任意相邻两根支臂3之间的夹角为120°。
进一步地，所述圆形中心1、同心环透镜体2和支臂3同处于一个水平面上。
本实用新型的有益效果：
本实用新型提出的声场成像菲涅尔透镜，属于声波聚焦器件，具有有益效果为：1、所述菲涅尔透镜具有聚焦性能突出和结构简洁的优点；2、所述菲涅尔透镜类比于光学菲涅尔透镜，声场成像菲涅尔透镜的主要结构是由同心圆环构成的，其在轴向的尺寸远小于其他所有超声器件。3、所述菲涅尔透镜将虚焦点对成像的影响降到最低，实现了声波衍射成像器件的实用。
此外，在实现相同聚焦精度的条件下，本实用新型声场成像菲涅尔透镜具有突出的体积优势，这极大地方便了在超声器件的集成，为超声仪器的小型化、便携化提供便利。同时，由于其结构相对简单，亦可应用于一些大型的声学设备，在制作出相同口径器件的前提下，声场成像菲涅尔透镜在重量、加工难易程度及成本控制上均具有显著的优点。
附图说明
图1是本实用新型所述的声场成像菲涅尔透镜的二维及三维设计图(对应最佳适用频率 280kHz)。
图2是本实用新型所述的声场成像菲涅尔透镜的二维及三维设计图(对应最佳适用频率 40kHz)。
图3是本实用新型所述的声场成像菲涅尔透镜的二维及三维设计图(对应最佳适用频率6kHz)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型做进一步说明，但本实用新型不受实施例的限制。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，亦可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”、“多组”、“多根”的含义是两个或两个以上。
以下实施方式中所用材料、仪器和方法，未经特殊说明，均为本领域常规材料、仪器和方法，均可通过商业渠道获得。
实施例1
一种声场成像菲涅尔透镜，所述声场成像菲涅尔透镜包括圆形中心1和以圆形中心为环心的同心环透镜体2；所述多个同心环透镜体通过支臂3与圆形中心1固定为一体。所述同心环透镜体2采用环数为5环的同心环体；相连的两个环体之间设有环体间缝隙4，并形成沿圆心中心 1向外延伸的方向环形排列的四级环体间缝隙4；所述圆形中心1与直径最小的环体之间设有缝隙5。所述环体间缝隙4的宽度沿圆心中心1向外延伸的方向逐级递减；所述缝隙5的宽度值大于宽度最大的环体间缝隙4的宽度值。所述同心环透镜体2中的同心环的宽度值沿圆心中心1 向外延伸的方向逐级递减。所述声场成像菲涅尔透镜上设有三个支臂3；所述三个支臂3的一端固定连接在圆形中心1上，并且任意相邻两根支臂3之间的夹角为120°。所述圆形中心1、同心环透镜体2和支臂3同处于一个水平面上。
实施例2
实施例2是对实施例1尺寸上的进一步限定，如图1所示，所述声场成像菲涅尔透镜对应最佳适用频率为280kHz；所述菲涅尔透镜的整体直径为70.26mm，厚度为2mm；其中，圆形中心1的直径为20.71mm，支臂宽度为1.73mm；所述同心环透镜体2中所包含的五个同心环从圆形中心向外延伸方向设为1至5级环体；所述环体间缝隙4从圆形中心向外延伸方向设为1至4 级环体间缝隙；其中，1至5级环体的宽度分别为：3.39mm，2.545mm，2.125mm，1.845mm， 1.63mm；1至4级环体间缝隙的宽度分别为：2.875mm，2.31mm，1.97mm，1.73mm；圆形中心与1级环体之间的缝隙为4.355mm。
实施例3
实施例3是对实施例1尺寸上的进一步限定，如图2所示，所述声场成像菲涅尔透镜对应最佳适用频率为40kHz；所述菲涅尔透镜的整体直径为140.52mm，厚度为3mm；其中，圆形中心1的直径为41.43mm，支臂宽度为3.46mm；所述同心环透镜体2中所包含的五个同心环从圆形中心向外延伸方向设为1至5级环体；所述环体间缝隙4从圆形中心向外延伸方向设为1至4 级环体间缝隙；其中，1至5级环体的宽度分别为：6.775mm，5.09mm，4.25mm，3.69mm，3.265mm；1至4级环体间缝隙的宽度分别为：5.75mm，4.62mm，3.94mm，3.455mm；圆形中心与1级环体之间的缝隙为8.71mm。
实施例4
实施例4是对实施例1尺寸上的进一步限定，如图3所示，所述声场成像菲涅尔透镜对应最佳适用频率为6kHz；所述菲涅尔透镜的整体直径为281.04mm，厚度为4mm；其中，圆形中心 1的直径为82.85mm，支臂宽度为6.93mm；所述同心环透镜体2中所包含的五个同心环从圆形中心向外延伸方向设为1至5级环体；所述环体间缝隙4从圆形中心向外延伸方向设为1至4级环体间缝隙；其中，1至5级环体的宽度分别为：13.555mm，9.24mm，8.5mm，7.38mm，6.525mm；1至4级环体间缝隙的宽度分别为：11.5mm，9.24mm，7.88mm，6.915mm；圆形中心与1级环体之间的缝隙为15.92mm。
实施例5
本实用新型所述菲涅尔透镜的设计过程为：
本实用新型基于声波衍射理论，类比光学菲涅尔波带片(一种光学聚焦透镜)。但是因为声波的波长远大于光波，且在宏观尺度上与透镜尺寸在同一数量级，因此适用于光学领域推导的近似处理不适用于声学聚焦透镜的设计。
为设计满足实际需求的声场成像菲涅尔透镜，以及便于后续制作，将球冠推导运用到平面理论推导，最终得到以下设计方案。
这里设物距为u，像距为v，此透镜设计对应的声波波长为λ，波带片第m个半径是rm，其中m是非负整数。
理论推导可得声场成像菲涅尔透镜焦距f的一元三次方程为：
af3+bf2+cf+d＝0 1-1
1-1式的系数，有以下关系
1-2式中k为像距与物距比值，由以上数值关系可知，m不同，焦距不同，即存在多个成像焦点。若将多个焦点的间距尽量减小，则可以形成一段长条状的放大聚焦区域。此即为本实用新型声场成像菲涅尔透镜的基本原理。将所需波长λ代入，求解上述方程，即可得到相应的设计参数，即各个同心圆的半径。
由于受菲涅尔透镜的原理限制，必然存在多个虚焦点。为提高成像质量以及其实用价值，本设计运用了枚举参数的设计算法，将虚焦点对成像的影响降到设计范围内的最低，目前尚无使用此类优化算法的同类产品。
为保证设计的可靠性，避免不必要的浪费，本实用新型在设计阶段使用仿真计算对声场成像情况进行了计算，计算所得结果与实测结果契合程度极高，与光学菲涅尔波带片可以印刷在透明薄膜上不同，由于实际设计中波带片环状结构必须通过辐条固定，本设计在保证一定机械强度的情况下尽量减少了辐条的数量，将其减少至3条，以此减小影响。实测结果证明，此种处理方式对原有理论导出的成像影响可以忽略不计。
虽然本实用新型已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型，任何熟悉此技术的人，在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (6)
1.一种声场成像菲涅尔透镜，其特征在于，所述声场成像菲涅尔透镜包括圆形中心(1)和以圆形中心为环心的同心环透镜体(2)；所述多个同心环透镜体通过支臂(3)与圆形中心(1)固定为一体。
2.根据权利要求1所述声场成像菲涅尔透镜，其特征在于，所述同心环透镜体(2)采用环数为5环的同心环体；相连的两个环体之间设有环体间缝隙(4)，并形成沿圆心中心(1)向外延伸的方向环形排列的四级环体间缝隙(4)；所述圆形中心(1)与直径最小的环体之间设有缝隙(5)。
3.根据权利要求2所述声场成像菲涅尔透镜，其特征在于，所述环体间缝隙(4)的宽度沿圆心中心(1)向外延伸的方向逐级递减；所述缝隙(5)的宽度值大于宽度最大的环体间缝隙(4)的宽度值。
4.根据权利要求1所述声场成像菲涅尔透镜，其特征在于，所述同心环透镜体(2)中的同心环的宽度值沿圆心中心(1)向外延伸的方向逐级递减。
5.根据权利要求1所述声场成像菲涅尔透镜，其特征在于，所述声场成像菲涅尔透镜上设有三个支臂(3)；所述三个支臂(3)的一端固定连接在圆形中心(1)上，并且任意相邻两根支臂(3)之间的夹角为120°。
6.根据权利要求1所述声场成像菲涅尔透镜，其特征在于，所述圆形中心(1)、同心环透镜体(2)和支臂(3)同处于一个水平面上。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2020124474A1 (zh) * | 2018-12-20 | 2020-06-25 | 深圳先进技术研究院 | 声波聚焦透镜、超声成像装置及方法 |
| CN110721066A (zh) * | 2019-09-05 | 2020-01-24 | 深圳先进技术研究院 | 超声足疗装置 |
| CN110721066B (zh) * | 2019-09-05 | 2021-11-16 | 深圳先进技术研究院 | 超声足疗装置 |
| CN116259302A (zh) * | 2023-05-15 | 2023-06-13 | 之江实验室 | 一种水下复合材料声透镜 |
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