[發(fā)明專利]固態(tài)聲學(xué)超材料和使用其聚焦聲音的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201080014100.X
• 申請(qǐng)日: 2010-03-02
• 公開（公告）號(hào): CN102483913A
• 公開（公告）日: 2012-05-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 皮埃爾·A·戴米耶;海梅·布賈伊;巴薩姆·梅爾赫布
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 代表亞利桑那大學(xué)的亞利桑那校董會(huì)
• 主分類號(hào): G10K11/18
• 分類號(hào): G10K11/18;G10K11/24;G10K11/00
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 蔡勝有;李翔

相關(guān)申請(qǐng)的引用

本申請(qǐng)要求2009年3月2日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/208,928和2009年5月4日提交的61/175,149的優(yōu)先權(quán)，其二者的公開內(nèi)容通過引用全文并入本公開中。

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及聲學(xué)超材料，更具體涉及具有固態(tài)聲子晶體的聲學(xué)超材料。本發(fā)明還涉及使用這樣的超材料來(lái)聚焦聲音的方法。

背景技術(shù)

Sukhovich等人在“Experimental?and?theoretical?evidence?for?subwavelength?imaging?in?phononic?crystals”，Physical?Review?Letters?102，154301(2009)(其通過引用全文并入本文)公開了一種表現(xiàn)出負(fù)折射的、用于平透鏡中以獲得超分辨率的聲子晶體。所述聲子晶體包括在充滿甲醇的空間中的含不銹鋼棒三角晶格。當(dāng)被水包圍時(shí)，所述聲子晶體在550kHz的頻率下表現(xiàn)出有效折射率為-1。

但是，流體的使用降低了該聲子晶體在制造和使用方面的實(shí)踐性。

在一個(gè)單獨(dú)的研究領(lǐng)域中，在2009年7月9日以WO?2009/085693?A1公開的PCT國(guó)際專利申請(qǐng)No.PCT/US2008/086823(其公開內(nèi)容通過引用全文并入本文)公開了一種用于消音的固體聲子晶體。然而該聲子晶體適于實(shí)現(xiàn)的功能即消音與本發(fā)明所關(guān)注的領(lǐng)域完全不同。為實(shí)現(xiàn)該功能，該申請(qǐng)中公開的聲子晶體包含具有第一密度的第一介質(zhì)(橡膠)和布置在所述第一介質(zhì)中的基本上周期性的結(jié)構(gòu)陣列，所述結(jié)構(gòu)由具有不同于所述第一密度的第二密度的第二介質(zhì)(空氣)制成。

發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供比Sukhovich等的文章所提供的更實(shí)用的解決方案。

為實(shí)現(xiàn)上述及其他目的，本發(fā)明涉及一種聲子晶體，其中上述Sukhovich等的參考文獻(xiàn)的流體被固體材料所代替，所述固體材料的縱向聲速(C_l)接近流體的聲速(例如水的1500m/秒)，橫向聲速(C_t)小于所述縱向聲速(例如小于100m/秒)。這樣的固體材料的行為表現(xiàn)就像流體一樣，因?yàn)槠錂M向聲速遠(yuǎn)小于其縱向聲速。這樣的固體材料的實(shí)例為有機(jī)或無(wú)機(jī)橡膠。由于僅由固體組分制成，故這種類型的固體超材料對(duì)于眾多應(yīng)用來(lái)說(shuō)是更實(shí)用的解決方案。內(nèi)含物(inclusions)可以是圓柱體(橫截面可為任何形狀)以形成所謂的2D聲子結(jié)構(gòu)或者可以是球體(立方體或任何其他形狀)以制備3D固體/固體超材料。在其下超材料具有所需行為表現(xiàn)的頻率的可調(diào)性通過控制構(gòu)成材料的性質(zhì)以及聲子晶體的大小和幾何形狀實(shí)現(xiàn)。

下面我們將示出，2D橡膠-鋼超材料可表現(xiàn)出負(fù)折射和亞波長(zhǎng)分辨率(超透鏡效應(yīng))。

附圖說(shuō)明

下面將結(jié)合附圖闡述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，在附圖中：

圖1為示出在一段時(shí)間內(nèi)平均的壓力絕對(duì)值的曲線圖；

圖2為示出瞬時(shí)壓力場(chǎng)的線圖；

圖3為示出能量通量的垂直分量的線圖；

圖4為示出通過圖像的垂直切割的線圖；

圖5A-5C為示出束縛模型的線圖；

圖6為示出聲子晶體的結(jié)構(gòu)的照片；和

圖7為示出聲全息成像系統(tǒng)的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。

模擬鋼橡膠透鏡在520kHz下的行為。所有幾何參數(shù)均與Sukhovich等的論文中相同。唯一的不同在于，甲醇(流體)被C_l＝1200m/s和C_t＝20m/s的橡膠(固體)所代替。暫時(shí)不涉及粘彈性。聲源與Sukhovich等的相同，位于透鏡左邊。

圖1中給出了在一段時(shí)間內(nèi)平均的壓力絕對(duì)值。像點(diǎn)在透鏡右邊。圖1表明，橡膠/鋼透鏡表現(xiàn)出負(fù)折射現(xiàn)象，得到所述源的圖像。

圖2中給出了瞬時(shí)壓力場(chǎng)并示出了由所述源以及所述圖像發(fā)出的近球面波。在圖3中觀察到相同的聚焦，在圖3中繪制了能通量的垂直分量。注意，能通量的水平分量總是從左指向右(這里未示出)。可以看出，在晶體內(nèi)波的方向有一次改變。出口處又有一次方向改變，二者均對(duì)應(yīng)于負(fù)折射。在晶體的出口側(cè)，這些波束相交，導(dǎo)致圖像的形成。使用這種新的固體/固體超材料，獲得了以前僅在流體/固體體系中觀察到的特征。