[發明專利]一種基于變換聲學的環形聲波聚焦透鏡

在審

• 申請號: 202210685228.3
• 申請日: 2022-06-16
• 公開（公告）號: CN115019764A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 宋剛永;仇俊杰;吳丹;曹蘇群
• 申請（專利權）人: 淮陰工學院
• 主分類號: G10K11/36
• 分類號: G10K11/36;G10K11/30;G10K11/162
• 代理公司: 淮安市科文知識產權事務所 32223
• 代理人: 鄒文玉

本發明公開了一種基于變換聲學的環形聲波聚焦透鏡，包括按層排布在物體外側的多個聲學超材料單元；所述的多個聲學超材料單元按層排布，且外層的多個聲學超材料單元按照環形分布，形成聲波聚焦透鏡；所述的聲學超材料單元為X型固體結構；X型固體結構的等效質量密度和彈性模量呈各向異性分布。本發明基于變換聲學理論，通過多個聲學超材料單元在物體的外側按層排布成環形聲波聚焦透鏡，以及通過X型固體結構的聲學超材料單元的設置，當聲波入射到裝置內部時，改變聲波的傳播路徑，使得聲波在障礙物另一側形成聚焦；該裝置實現聲波可避障和隱藏物體。

技術領域

本發明涉及聲學超材料的聲波聚焦領域，具體涉及一種基于變換聲學的環形聲波聚焦透鏡。

背景技術

聲學超材料是一種新型人工復合材料，由人為設計的特殊單元結構組成，具有很多自然界材料不具備的超常物理特性。通過對這些特性不斷地開發利用，人們突破了以往對聲學材料研究的局限性，聲學材料的應用領域將不斷擴展，為聲學器件的設計和應用提供新的思路。

基于聲學超材料的聲波聚焦技術在許多領域有著廣泛的應用。例如在生物醫學領域，根據聲學超材料的亞波長特性，將聲學器件進一步優化，精簡結構，提高集成度。根據這一特性制成的超聲顯微鏡成本低、安裝難度小。聲波聚焦技術的研究為生物醫學成像開辟了新的領域，在生物醫學檢驗中具有廣泛的應用。

目前，基于聲學超材料的聲波聚焦方式有兩種。一種是通過實現負折射率，共振機制是實現的基礎，根據這種方法制作的聲透鏡聚焦頻率很小，并且聲波波長和聲透鏡的尺寸之間必須是可比擬的，如果出現頻率很低的情況，聲透鏡的尺寸則會特別大。另外一種則是通過改變聲透鏡構造，使其橫向折射率隨距離呈現二次方變化，從而使聲透鏡能夠完成自聚焦。而想通過設計聲透鏡構造來使折射率分布呈現函數變化，這對設計要求是很高的，增加了設計難度。

發明內容

本發明提出了一種基于變換聲學的環形聲波聚焦透鏡；利用聲學超材料單元精簡結構，將裝置的整體尺寸做的較小，便于應用；能有效的解決上述技術問題。

本發明通過以下技術方案實現：

一種基于變換聲學的環形聲波聚焦透鏡，包括按層排布在物體外側的多個聲學超材料單元；所述的多個聲學超材料單元按層排布，且外層的多個聲學超材料單元按照環形分布，形成聲波聚焦透鏡；所述的聲學超材料單元為X型超材料固體結構；X型超材料固體結構的等效質量密度和彈性模量呈各向異性分布。

進一步的，所述的X型超材料固體結構的等效質量密度和彈性模量分布為：

其中，B表示彈性模量，B^-1為B的倒數，B_b為介質的模量，為介質模量的倒數；ρ_φ為角方向質量密度，ρ_r為徑向方向上的質量密度；r_i為媒質內半徑，r為超材料單元所圍成的半徑，r_o為媒質外半徑，上式中，r_i、r、r_o需滿足r_i＜r＜r_o的條件。

進一步的，所述的X型超材料固體結構的中心為空心的正方形結構，正方形的四角處設置有沿對角線向外延伸的四條邊，使得X型超材料固體結構形成旋轉對稱結構。

進一步的，所述X型超材料固體結構的長度為d，且每一層的X型超材料固體結構的長度d相同，不同層的X型超材料固體結構的長度d可調；所述X型超材料固體結構的位置排布和等效聲學參數使聲波作用在裝置正交方向上時，使得環形聲波聚焦透鏡所在區域呈現的等效折射率不同。

進一步的，所述X型超材料固體結構的厚度為t，正方形中部空心處的邊長為c；X型超材料固體結構的四條邊，四條邊中每條邊的總厚度為f；所述四條邊的中間均設置有與正方形空心處連通的開口，開口的寬度為s。