[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

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，屬于聲學測控領域。曲面聲學透鏡包括按照梯度變化規律排布的10個溫敏水凝膠片段II，每兩層溫敏水凝膠片段I之間添加一個用于阻隔的熱量傳遞的橡膠薄膜II，水凝膠片段I是由瓊脂糖溶液注入3D打印的模具中凝固而成。實現過程中，進行實驗平臺搭建與測試：建立測試坐標系，將曲面聲學透鏡、超聲換能器、兩個水聽器放置在水箱中，通過兩個水聽器A同時測量到瞬時聲壓分布狀態。本發明設計依靠材料折射率梯度變化的曲面聲學透鏡，建立溫度與聲學折射率的映射關系，能夠實現聲學折射率的準確可控；通過實驗平臺的搭建與聲壓測試，獲得相應的聲壓曲線，驗證曲面聲學透鏡作用，方法可靠性高。

技術領域

本發明屬于聲學測控領域，涉及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。

背景技術

聲學梯度折射率(GRIN)透鏡是一種特殊的聲學超結構，因其折射率在介質中的空間分布狀態不斷變化，可改變聲束的傳播路徑，并具有衍射極限以下的超聲成像等應用潛力，為醫療器械、秘密通信、聲學檢測等領域提供了無限可能。2018年專利“一種局域共振型聲學超材料聚焦透鏡”利用了聲子晶體局域共振的基本原理結合了一種新的結構形式，可以在空氣或水等多種介質中實現良好的和中低寬頻聲波聚焦效果。2019年專利“一種基于聲學共振超表面的寬帶聚焦透鏡”根據不同的共振結構單元的組合方式和共振結構單元的結構尺寸對透射波相位進行調控，實現透鏡在不同位置處的聚焦，然后提取和處理聚焦平面上的聲壓強度，分析所述透鏡的寬帶聚焦特性。然而，盡管聲學透鏡具有新型而奇異的特性，但目前大多數聲學透鏡實現全部為二維透鏡，聲學性能依賴于復雜的幾何陣列結構，制造難度大，且結構確定后性能即固定，制約了器件的實際應用。

本發明提出一種單純依靠材料折射率梯度變化的三維曲面聲學透鏡，采用層狀簡單結構，不同折射率片段組成曲面殼結構，基于溫敏水凝膠材料相態與曲面殼體折射率的映射關系，通過調控材料溫度改變梯度折射率分布狀態，實現聲波傳播路徑的操控，形成可調切換的多功能波形轉換聲學器件。

發明內容

本發明所要解決現有的聲學透鏡結構一旦確定，功能即確定的問題(即只對單一功能的聲學現象)，提出一種利用可調諧溫敏水凝膠材料實現曲面梯度折射率聲學透鏡的新技術。當曲面聲學透鏡的不同溫敏水凝膠溫度呈梯度規律時，可以實現不同功能的聲學透鏡，并且可以重復實現；此外，不同于以往聲學透鏡依靠幾何陣列結構漸變的方式，該曲面聲學透鏡通過提供偏置電壓的電路方式調節材料折射率，具有調試簡單，便于操作，實現成本低的特點。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于梯度折射率調控的三維多功能聲學透鏡，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。其中，橡膠薄膜II用于阻隔每兩片溫敏水凝膠片段I之間的熱量傳遞。

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。

一種基于梯度折射率的三維多功能曲面聲學透鏡的實現方法，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厚度遠小于圓環壁厚。