[發明專利]一種聲學共振聚焦透鏡及其設計方法

有效

• 申請號: 201810631222.1
• 申請日: 2018-06-19
• 公開（公告）號: CN109119062B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發明（設計）人: 梁旭;阮永都;呂恒;鄧禹;王體濤;王玉紅
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G10K11/30
• 分類號: G10K11/30;G02B3/12
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發明公開了一種聲學共振聚焦透鏡及其設計方法，屬于物理聲學領域。本聲學共振聚焦透鏡是一種由基體、多個局域共振型散射體單元和底座所組成的人工周期性聲學結構，其中基體材料可以為空氣和水，散射共振體單元形狀呈“十”字形。共振聚焦透鏡內部元胞按正方晶格形式進行周期性地排列，透鏡主體外圍輪廓呈一個“長方體”，主體安放在透鏡底座上。本發明利用了聲子晶體局域共振腔和聲波負折射的基本原理設計了一種聲學共振聚焦透鏡，使本發明的聲學共振聚焦透鏡相比于現有的聲學聚焦透鏡結構簡單、厚度更薄，可以在多種介質中對平面波和球面波均實現很好的聲波聚焦效果。

技術領域

本發明涉及一種聲學共振聚焦透鏡的設計方法，屬于物理聲學領域。

背景技術

2000年J.B.Pendry提出了利用負折射制作光學完美透鏡的思想。2008年AlexeySuckhovich首先在實驗上證實了超聲波負折射現象存在于二維棱鏡形狀的聲子晶體中，并且聲波的傳播方向可由元胞等頻線圖的梯度變化方向來判斷。由此表明利用聲子晶體和負折射原理同樣可以實現聲學完美透鏡，從而實現聲波聚焦。自2008年以來聲學完美透鏡和聲學超透鏡成為了聲波聚焦領域的研究熱點。到2015年，Nadège?Kaina1在《自然》雜志上發表文章，首次設計出一種單負超材料實現了負折射和聲學超透鏡。利用聲子晶體散射和共振的原理是制作聲學超透鏡的重要手段，其一般是由兩種或兩種以上的不同介質在空間上交替排列所構成的人工周期性結構。當聲波傳入周期性結構中，波數在布里淵區內周期性出現，甚至波數方向與聲波相速度相反，從而發生負折射現象，由此改變了聲波的傳播特性產生了新的特征。在后續的研究中，人們不斷通過調整聲子晶體散射共振體的結構形式和材料參數等方法來調控聲波的傳播。這些方法為減振降噪、聲學隱身、超分辨聲學成像等領域帶來了新的突破。

在聲學聚焦透鏡領域中，當進入透鏡的所有聲波成分都無損失地參與了聲波成像，把這種透鏡稱為“完美透鏡”。但在實際材料中一定會存在聲波的色散和吸收，所以不存在理想的完美透鏡，但存在能夠顯著提高分辨率的超透鏡。

經檢索，關于實現聲學聚焦透鏡的設計最近已有相關專利公開。如發明專利CN201410157527.5，公開了名為“一種聲學超透鏡的鏡結構體和聲學超透鏡及其成像裝置”的專利；發明專利CN201510816714.4，公開了名為“一種聚焦聲透鏡的設計方法”的專利；發明專利CN201610589500.2，公開了名為“基于分形聲學超材料的寬帶聲聚焦透鏡及其制備方法”的專利。這些專利均在一定程度上利用聲子晶體和負折射的基本原理，為聲學聚焦的設計都提供了一種新的方法，但他們之間具有設計方法復雜或應用場合少等問題。

本發明設計了一種平板聲學共振聚焦透鏡，可以在較寬的范圍內實現聲學聚焦的功能，與上述聚焦透鏡效果不同的是：本發明聲學共振聚焦透鏡不再局限于水平面上的聲波聚焦，有益效果主要在于豎直平面(散射共振體長度方向)的聚焦，易于其它器件組合使用產生新的效果，為三維聲學聚焦成像提供了一種新的思路。

發明內容

(1)發明目的

本發明的目的在于提供一種聲學共振聚焦透鏡及其設計方法，可以在較寬頻率范圍和豎直平面內實現和傳統幾何光學聚焦透鏡相似功能的聲學聚焦透鏡，為三維聲學聚焦成像裝置的設計打下基礎。

(2)技術方案

本發明的聲學共振聚焦透鏡，包括底座和元胞，所述元胞為整個人工周期性結構的基本構成單元，元胞包括：散射共振體單元和基體材料，散射共振體單元作為元胞的主要構成材料，周期性排列在底座上；基體材料作為聲波的傳播介質，充滿在散射共振體單元的周圍。

基體材料可以為空氣和水，是聲波的傳播介質，表明此聲學聚焦透鏡可以在空氣聲學和水聲學領域中實現同樣的效果。

優選的，元胞以正方晶格的形式按固定間距a周期性排列在底座上，元胞周期性排列所構成的主體外圍輪廓為一長方體。長方體的長寬高之比為3.4:1:3.47。