[發明專利]一種基于梯度折射率調控的三維多功能聲學透鏡及其實現方法

在審

• 申請號: 202110746465.1
• 申請日: 2021-07-01
• 公開（公告）號: CN113643683A
• 公開（公告）日: 2021-11-12
• 發明（設計）人: 曹暾;廉盟;段麟秋;王嘉園;陳峰;賈婧媛;蘇瑩
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G10K11/30
• 分類號: G10K11/30
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮

1.一種基于梯度折射率調控的三維多功能聲學透鏡，其特征在于，所述的梯度折射率曲面聲學透鏡包括10個溫敏水凝膠片段I和9個橡膠薄膜II，10個不同聲學折射率的溫敏水凝膠片段I按照梯度變化規律排布，每兩層溫敏水凝膠片段I之間添加一個用于阻隔熱量傳遞的橡膠薄膜II，并采用耐低溫膠粘貼在一起組成曲面聲學透鏡。

2.根據權利要求1所述的一種基于梯度折射率調控的三維多功能聲學透鏡，其特征在于，所述的溫敏水凝膠片段I是由含水量65％的瓊脂糖溶液注入3D打印的模具中凝固而成，溫敏水凝膠片段I折射率與溫度相關，通過物理降溫可控制溫敏水凝膠片段I的折射率。

3.一種權利要求1或2所述的基于梯度折射率的三維多功能曲面聲學透鏡的實現方法，其特征在于，包括以下方法步驟：

第一步，設計多功能曲面聲學透鏡

曲面聲學透鏡主要由10個溫敏水凝膠片段I和9個橡膠薄膜II按規律排布而成，10個溫敏水凝膠片段I的聲學折射率沿透鏡中心軸向呈現梯度變化；所述溫敏水凝膠片段I包括方形底板(1)與9個圓環形梯度曲面殼體(2-10)，底板(1)中間設有一個圓形孔洞，孔洞半徑ρ₀；所述曲面殼體(2-10)分別為不同尺寸的梯度圓環薄層，半徑沿透鏡軸向逐漸減小，各層層高相同，9個圓環壁厚相同；所述底板(1)厚度與曲面殼體(2-10)厚度相同；所述相鄰溫敏水凝膠片段I之間均加入一層用于隔熱的橡膠薄膜II，橡膠薄膜II厚度小于圓環壁厚；

第二步，透鏡選材及制備

2.1)采用溫敏水凝膠材料制備曲面聲學透鏡，其聲學折射率與聲速二者之間的關系為：

其中，c₀為水聲速，v為溫敏水凝膠材料聲速，n為溫敏水凝膠相對于水的聲學折射率；

2.2)當溫度降低時，溫敏水凝膠中的自由水凍結導致聲速升高，引起材料聲速改變，促使聲學折射率發生變化，反之亦然；首先，預先將含水量為65％的溫敏水凝膠用液氮進行低溫冷卻至-30℃；然后，在溫敏水凝膠材料側壁粘貼溫度傳感器；最后，停止液氮噴射，在20℃室溫環境下，實時測量溫敏水凝膠材料升溫過程中的聲速，并采用最小二乘法對超聲聲速曲線進行擬合，獲得準確的材料參數，擬合公式為：

v＝0.6937t²-12.782t+2054.1 (2)

其中，t為溫度，v為溫敏水凝膠材料聲速；

2.3)根據公式(1)和(2)能夠得到溫敏水凝膠片段I表面的溫度與其聲學折射率的對應關系；

2.4)組裝曲面聲學透鏡：利用3D打印制作分層模具，用于固定溫敏水凝膠的形狀；室溫環境下，將含水量為65％的均質水凝膠溶液注入3D打印的模具中等待冷卻；待水凝膠溶液成凝膠狀后將其從模具中剝離出來，得到不同溫敏水凝膠片段I；

利用電路提供偏置電壓，對曲面聲學透鏡不同溫敏水凝膠片段I的溫度、聲學折射率進行精確控制：首先，將溫敏水凝膠片段I進行降溫處理后，在每個溫敏水凝膠片段I的內表面上粘貼多個導電電極片，并將溫敏水凝膠片段I預先放在恒定-35℃環境中；其次，導通導電電極片，當電流通過導電電極片時，加熱溫敏水凝膠片段I，產生的焦耳熱導致溫敏水凝膠材料改變其結構中結合水的狀態，改變溫敏水凝膠片段I材料聲速；最后，根據步驟2.3)確定的溫敏水凝膠片段I溫度與其聲學折射率的對應關系，由溫敏水凝膠片段I溫度精確控制每個溫敏水凝膠片段I的聲速，進而由公式(1)、公式(2)控制聲學折射率等其他參數；該過程中，根據聲學透鏡功能不同，處理溫度不同；

待不同溫敏水凝膠片段I實現特定聲速特性后，將溫敏水凝膠片段I與橡膠薄膜II按圓環內徑從大到小組裝在一起，相鄰的溫敏水凝膠片段I與橡膠薄膜II膠粘在一起，得到曲面聲學透鏡；

第三步，進行實驗平臺搭建與測試

3.1)將第二步組裝好的曲面聲學透鏡直接放置在水箱(14)中，且曲面聲學透鏡中僅底板(1)四周與水直接接觸，梯度曲面殼體(2-10)形成的曲面位于水面上方，與水域隔絕；

3.2)建立測試坐標系，以曲面聲學透鏡在z軸方向最高點在底板(1)的垂直投影坐標為原點，以底板(1)較長的邊為x方向，曲面聲學透鏡的右側為正向，以底板(1)較短的邊為y方向；

3.3)將超聲換能器(11)放置在水箱(14)中，用于產生曲面聲學透鏡左側的聲波波源，其中心位置坐標為(-0.15，0，0)，單位為米；將直線滑軌(16)架于水箱(14)上方，與y方向平行，且位于曲面聲學透鏡與水箱(14)邊緣之間，在直線滑軌(16)上方安裝滑塊A(17)、B(18)，其中滑塊A(17)固定不動，與曲面聲學透鏡在-y方向的邊緣對齊，滑塊B(18)安裝在滑塊A(17)的+y方向一側；

3.4)為得到瞬時聲壓分布狀態，采用水聽器A(12)、B(13)同時測量；將水聽器A(12)、B(13)的電纜分別固定在滑塊A(17)、B(18)上，同時與上位機(15)連接，進行信號采集與分析，水聽器A(12)、B(13)的測頭與曲面聲學透鏡底板(1)在z方向平齊；測試過程中，滑塊A(17)與水聽器A(12)保持不動，水聽器A(12)采集的信號作為參考信號，滑塊B(18)帶動水聽器B(13)沿直線滑軌(16)移動，移動軌跡L1的長度與曲面聲學透鏡的寬度相同，每隔2mm進行1次透射聲壓信號采集；將獲得的聲壓信號進行平滑去噪處理，參考水聽器A(12)采集的聲壓信號，計算水聽器A(12)與水聽器B(13)的信號相位差，繪制瞬時聲壓強度分布曲線。