CN218896470U - 一种梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜，包括：多层晶胞层，每层晶胞层均包括第一晶胞组和第二晶胞组；第一晶胞组包括多个呈同心圆分布的第一晶胞，第一晶胞内设有沿其周向设置且与第一晶胞同轴的第一空气腔，且各个第一空气腔截面积相同；第二晶胞组围设在第一晶胞组最外侧的第一晶胞上，且第二晶胞组包括多个呈同心圆分布的第二晶胞，第二晶胞内设有沿其周向设置且与第二晶胞同轴的第二空气腔，且由内向外第二空气腔的截面积逐渐减小。本申请通过使用含有空气腔结构的晶胞用于声学聚焦透镜，声阻抗差异大，声波的工作频率较高，透镜小型化便于集成，透镜呈半透明状而且平坦，在高频下也能保持较低的水中吸收损耗。

Description

一种梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜

技术领域

本申请涉及声学工程的技术领域，特别涉及一种梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜。

背景技术

在过去的几十年里，人工制造的声子晶体在声学隐身、减振降噪、超分辨率成像等方面得到了快速的发展，声子晶体一般是由两种或者两种以上的不同介质在空间上交替排列所构成的人工周期性结构，通过改变声子晶体的材料或者结构，可以改变其有效折射率，同时由于结构变化平滑，所以梯度折射率声子晶体中有效阻抗没有突变，因此对于声波的反射显著减少，这使得梯度声子晶体广泛应用于声波聚焦。

相关技术中，公告号为CN208126868U的中国专利，公开了一种局域共振型声学超材料聚焦透镜，其由基体、多个局域共振型散射体单元和底座所组成的人工周期性声学结构，其中基体材料可以为空气和水，散射体单元形状呈“十”字形，散射体所组成的周期性阵列结构的外围轮廓呈一个椭圆形状并置于底座上。其利用了声子晶体局域共振的基本原理结合了一种新的结构形式，可以在多种介质中和较宽的中低频范围内实现良好的声波聚焦效果。

但是，相关技术中的聚焦透镜具有难以用于高频、结构复杂、体积较大、应用场合少等问题。

发明内容

本申请实施例提供一种梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜，以解决相关技术中聚焦透镜具有难以用于高频、结构复杂、体积较大、应用场合少的问题。

本申请所采用的技术方案是：

一种梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜，包括：

多层晶胞层，每层晶胞层均包括第一晶胞组和第二晶胞组；

所述第一晶胞组包括多个呈同心圆分布的第一晶胞，所述第一晶胞内设有沿其周向设置且与所述第一晶胞同轴的第一空气腔，且各个第一空气腔截面积相同；

所述第二晶胞组围设在所述第一晶胞组最外侧的第一晶胞上，且所述第二晶胞组包括多个呈同心圆分布的第二晶胞，所述第二晶胞内设有沿其周向设置且与所述第二晶胞同轴的第二空气腔，且由内向外所述第二空气腔的截面积逐渐减小。

一些实施例中，所述晶胞层呈圆柱形，所述第一空气腔与所述晶胞层同轴。

一些实施例中，所述第一空气腔和所述第二空气腔的截面均为圆形。

一些实施例中，所述第一晶胞和所述第二晶胞的截面均呈矩形，所述第一晶胞的截面中心与所述第一空气腔的截面中心重合，所述第二晶胞的截面中心语音所述第二空气腔的截面中心重合。

一些实施例中，所述晶胞层的层数为5-10层。

一些实施例中，最外侧的所述第二空气腔的内径为零。

一些实施例中，所述第一晶胞和所述第二晶胞的截面均为正方形。

一些实施例中，所述第一晶胞和所述第二晶胞的截面边长为0.5mm。

一些实施例中，最内层的所述第一晶胞的内径为零。

一些实施例中，每层所述晶胞层包括8层所述第一晶胞和22层所述第二晶胞。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜，其通过使用含有空气腔结构的晶胞用于声学聚焦透镜，声阻抗差异大，声波的工作频率较高，透镜小型化便于集成，透镜呈半透明状而且平坦，在高频下也能保持较低的水中吸收损，声学聚焦透镜具有比较宽的工作频率范围，可以在较宽的频率范围内实现声波的聚焦效果，为声学聚焦提供了一种新的方法。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜中晶胞层的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜中晶胞的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜中每个空气腔的截面直径大小数值表；

图5为声波频率为1MHz时YZ面声场的绝对声压分布图；

图6为声波频率为1MHz时焦点处沿X向的绝对声压分布图。

图中：1、晶胞层；101、第一晶胞；102、第二晶胞；2、第一空气腔；3、第二空气腔。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通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，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜，其能解决目前聚焦透镜具有难以用于高频、结构复杂、体积较大、应用场合少的问题。

参照图1-3所示，该梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜包括多层晶胞层1。

其中，每层晶胞层1包括第一晶胞101组和第二晶胞102组，第一晶胞101组包括多个呈同心圆分布的第一晶胞101，第一晶胞101内设有沿其周向设置且与第一晶胞101同轴的第一空气腔2，且各个第一空气腔2截面积相同；第二晶胞102组围设在第一晶胞101组最外侧的第一晶胞101上，且第二晶胞102组包括多个呈同心圆分布的第二晶胞102，第二晶胞102内设有沿其周向设置且与第二晶胞102同轴的第二空气腔3，且由内向外第二空气腔3的截面积逐渐减小；具体的，晶胞层1呈圆柱形，而第一空气腔2和第二空气腔3均与晶胞层1同轴设置，多层晶胞层1同轴堆叠在一起形成透镜。

进一步的，一条第一晶胞101内设有一条第一空气腔2，一条第二晶胞102内设有一条第二空气腔3；多条第一晶胞101和多条第二晶胞102呈同心圆状堆叠在一起形成晶胞层1，为了保证透镜的聚焦效果，位于最内侧的第一晶胞101的内径为零，以使透镜中心不存在孔隙，而位于最外侧的第二空气腔3的内径为零，即最外侧的第二晶胞102呈实心圆环状。

通过上述设置，采用含有空气腔结构的晶胞制作聚焦透镜，其声阻抗差异大，声波的工作频率较高，在高频下也能保持较低的水中吸收损耗，且透镜结构简单，小型化便于集成，扩大其应用场景。

进一步的，第一空气腔2和第二空气腔3均设为截面呈圆形，使其具有更均匀的聚焦效果，而第一晶胞101和第二晶胞102的截面均为矩形，并且第一晶胞101的截面中心与第一空气腔2的截面中心重合，而第二晶胞102的截面中心与第二空气腔3的截面中心重合。

进一步的，晶胞层1的层数设为5-10层，层数过低聚焦效果不明显，而层数过高时会导致声波衰减比较严重，因此层数设为5-10层可具有最佳的声波聚焦效果；在本实施中以晶胞层1设为10层进行示意。

本实施例中，每层晶胞层1内设有8条第一空气腔2和22层第二空气腔3，则每层晶胞层1包括8条第一晶胞101和22条第二晶胞102，其中，最内层的第一晶胞101呈圆柱形，最外层的第二晶胞102内的第二空气腔3的截面直径为零；具体的，第一空气腔2和第二空气腔3的数量、直径、截面直径等参数可根据实际需要进行调节，可在可接受的误差范围和设计约束内改变。

具体的，本实施例中，透镜的整体厚度为5mm，则每层晶胞层1的厚度为0.5mm，即第一晶胞101和第二沿轴向的厚度为0.5mm，且每条第一晶胞101和第二晶胞102沿径向的厚度也设为0.5mm，即第一晶胞101和第二晶胞102的截面均为正方形且边长为0.5mm；每层晶胞层1内的多条第一空气腔2和多条第二空气腔3按照由内向外的顺序依次标号为W1-W30，每条第一空气腔2和第二空气腔3的截面直径数值如图4，其中，最外侧的第二空气腔3的截面直径为零。

进一步的，根据要求的工作频率范围，可以通过改变第一空气腔2和第二空气腔3的数量、截面直径等参数来使透镜达到要求。

进一步的，透镜材质为高分子聚合物材质，且为半透明状。

通过上述设置，使本实施例中的透镜具有比较宽的工作频率范围，可以在较宽的频率范围内实现声波的聚焦效果，为声学聚焦提供了一种新的方法。

本实施例中，以透镜相互垂直的两个直径方向分别为X向和Y向，透镜轴向为Z向。

参照图5，声波频率为1MHz时，基于有限元计算方法计算得到YZ面声场的绝对声压分布图；本实施例中透镜为轴对称结构，声波从透镜正下方入射，当声波进入透镜时，由于透镜有效折射率的变化，声波会在透镜上方的目标点汇聚并产生一个聚焦点。

参照图6，是声波频率为1MHz时焦点处沿X向的绝对声压分布图，与图5相对应，在焦点中心处声压幅值最大，沿着X向离焦点的距离增大，绝对声压的强度逐渐减小。

本申请实施例还提供一种梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜的制作方法，制作流程如下：

步骤1，选定目标工作频率的范围，根据晶胞的能带图来决定折射率的分布情况。

步骤2，根据折射率分布确定晶胞内第一空气腔2和第二空气腔3的大小，径向晶胞数量和透镜的厚度即层数。

步骤3，用电脑建立一个透镜三维模型，并生成STL打印文件。

步骤4，用3D打印机打印已经建好的STL透镜模型，得到梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜。

通过上述设置，本实施例中的梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜制作和使用方法简单，整个结构可以由3D打印技术获得，成本低廉。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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申请和简化描述，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申请的限制。除非另有明确的规定和限定，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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜，其特征在于，包括：

多层晶胞层(1)，每层晶胞层(1)均包括第一晶胞组和第二晶胞组；

所述第一晶胞组包括多个呈同心圆分布的第一晶胞(101)，所述第一晶胞(101)内设有沿其周向设置且与所述第一晶胞(101)同轴的第一空气腔(2)，且各个第一空气腔(2)截面积相同；

所述第二晶胞组围设在所述第一晶胞组最外侧的第一晶胞(101)上，且所述第二晶胞组包括多个呈同心圆分布的第二晶胞(102)，所述第二晶胞(102)内设有沿其周向设置且与所述第二晶胞(102)同轴的第二空气腔(3)，且由内向外所述第二空气腔(3)的截面积逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜，其特征在于：所述晶胞层(1)呈圆柱形，所述第一空气腔(2)与所述晶胞层(1)同轴。

3.根据权利要求1所述的梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜，其特征在于：所述第一空气腔(2)和所述第二空气腔(3)的截面均为圆形。

4.根据权利要求1所述的梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜，其特征在于：所述第一晶胞(101)和所述第二晶胞(102)的截面均呈矩形，所述第一晶胞(101)的截面中心与所述第一空气腔(2)的截面中心重合，所述第二晶胞(102)的截面中心语音所述第二空气腔(3)的截面中心重合。

5.根据权利要求1所述的梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜，其特征在于：所述晶胞层(1)的层数为5-10层。

6.根据权利要求1所述的梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜，其特征在于：最外侧的所述第二空气腔(3)的内径为零。

7.根据权利要求1所述的梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜，其特征在于：所述第一晶胞(101)和所述第二晶胞(102)的截面均为正方形。

8.根据权利要求7所述的梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜，其特征在于：所述第一晶胞(101)和所述第二晶胞(102)的截面边长为0.5mm。

9.根据权利要求1所述的梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜，其特征在于：最内层的所述第一晶胞(101)的内径为零。

10.根据权利要求1所述的梯度折射率分布二维轴对称声子晶体聚焦透镜，其特征在于：每层所述晶胞层(1)包括8层所述第一晶胞(101)和22层所述第二晶胞(102)。

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