一種基于位移本征模式的聲波聚焦器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于聲學(xué)超材料領(lǐng)域，提供了一種基于位移本征模式的聲波聚焦器件。本發(fā)明公開(kāi)的聲波聚焦器件為金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)浸沒(méi)在水中，金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)的材料為銅、鐵、鋼、鋁、鋅、金、銀、鎳及合成金屬材料；所述結(jié)構(gòu)聲聚焦效果優(yōu)異，焦點(diǎn)在環(huán)狀結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)，能量集中；頻率覆蓋范圍寬，聚焦頻率的變化范圍在100Hz～1GHz；聲聚焦效應(yīng)適用范圍廣，可適用于圓環(huán)結(jié)構(gòu)，正方形或橢圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，尺寸適中，易加工，易集成。
【專利說(shuō)明】一種基于位移本征模式的聲波聚焦器件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于聲學(xué)超材料領(lǐng)域，尤其是一種基于位移本征模式的聲波聚焦器件。

【背景技術(shù)】
[0002]聲波是現(xiàn)實(shí)生活中常見(jiàn)的能量載體，如果聲波聚焦效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)，可運(yùn)用于各種需要對(duì)聲能量實(shí)現(xiàn)特殊控制的重要場(chǎng)合，例如:醫(yī)學(xué)聚焦超聲治療、建筑聲學(xué)、海洋聲學(xué)等。因此，聲波聚焦效應(yīng)的研宄具有十分重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景。
[0003]實(shí)現(xiàn)聲波聚焦的有效方法是設(shè)計(jì)負(fù)折射率逐漸變化的聲波聚焦透鏡，通過(guò)相位調(diào)控使得入射聲波匯聚在一點(diǎn)。目前，研宄人員主要利用聲子晶體與聲超材料設(shè)計(jì)聲波聚焦透鏡。
[0004]基于聲子晶體的聚焦透鏡，主要通過(guò)調(diào)節(jié)聲子晶體單元尺寸與晶格常數(shù)實(shí)現(xiàn)聚焦效應(yīng)。但聲子晶體所能提供的負(fù)折射率很低，雖然可以通過(guò)增加聲子晶體的層數(shù)來(lái)提高負(fù)折射率，卻不可避免地造成聚焦透鏡尺寸較大。
[0005]聲超材料擁有自然界材料所不具備的負(fù)折射率特性，通過(guò)排列大小逐漸變化的具有負(fù)折射效應(yīng)的聲超材料，如:十字型結(jié)構(gòu)、空間折疊結(jié)構(gòu)及雪花型結(jié)構(gòu)，建立折射率逐漸變化的聚焦透鏡，可以實(shí)現(xiàn)聲聚焦效應(yīng)。聲超材料具有較高的負(fù)折射率和較小的阻抗失配，從而使得超薄、高效的聲波聚焦透鏡成為可能，然而結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不易加工實(shí)現(xiàn)。
[0006]傳統(tǒng)技術(shù)的缺點(diǎn)是:
[0007](1)上述兩種聲波聚焦透鏡，焦點(diǎn)不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)面積較大的斑，聚焦效果有待改進(jìn)；(2)基于聲子晶體的聲波聚焦透鏡，層數(shù)較多，尺寸較大；(3)基于聲學(xué)超材料的聲波聚焦透鏡，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易制造。
[0008]導(dǎo)致傳統(tǒng)技術(shù)缺陷的原因有:
[0009](1)上述兩種類型聲波聚焦透鏡均利用聲負(fù)折射效應(yīng)，設(shè)計(jì)負(fù)折射率逐漸變化結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)聲波相位進(jìn)行調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)聲波聚焦效應(yīng)，該機(jī)制所實(shí)現(xiàn)的聲波聚焦效應(yīng)，在垂直于聲波傳播方向較好，在沿著聲波傳播方向較差，因此，焦點(diǎn)不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)面積較大的斑；
[0010](2)基于聲子晶體的聚焦透鏡，聲子晶體的負(fù)折射率很低，雖然可以通過(guò)增加聲子晶體的層數(shù)來(lái)提高負(fù)折射率，但不可避免地造成透鏡系統(tǒng)的尺寸很大；
[0011](3)基于聲學(xué)超材料的聚焦透鏡，設(shè)計(jì)具有負(fù)折射率的聲超材料結(jié)構(gòu)，如:十字型結(jié)構(gòu)，空間折疊結(jié)構(gòu)及雪花型結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，將不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的聲超材料單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列，從而得到負(fù)折射率梯度變化的聚焦系統(tǒng)。雖然聲聚焦透鏡系統(tǒng)的聚焦效果很好，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]針對(duì)傳統(tǒng)聲聚焦器件聚焦效果差，尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易加工等技術(shù)難題，本發(fā)明提出一種聚焦效果優(yōu)異、頻率覆蓋范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的聲波聚焦環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
[0013]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的。
[0014]一種基于位移本征模式的聲波聚焦器件，包括金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)和水，所述金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)浸沒(méi)在水中，外徑I？ = 3.0 V III?6.0111，內(nèi)徑= 2.5 V III?5.0111 ；
[0015]所述金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)的材料為銅、鐵、鋼、鋁、鋅、金、銀、鎳及合成金屬材料；
[0016]所述環(huán)狀結(jié)構(gòu)的形狀可選擇為圓形、正方形、橢圓形。
[0017]將金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)浸沒(méi)在水中，金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)外兩側(cè)均是水，當(dāng)聲波入射到環(huán)狀結(jié)構(gòu)的外表面時(shí)，在一些特定的頻率，可以在金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)的中心產(chǎn)生聚焦現(xiàn)象。
[0018]所述聲波聚焦器件的聲聚焦頻率范圍在100取?1(^2。
[0019]所述聲波聚焦器件，能夠用于醫(yī)學(xué)聚焦超聲治療儀器(聚焦超聲婦科治療儀、聚焦超聲腫瘤治療儀)、海洋聲學(xué)探測(cè)器(黑匣子信號(hào)探測(cè)器)。
[0020]在本發(fā)明中，采用有限元方法數(shù)值模擬聲波聚焦性能。
[0021]本發(fā)明的有益效果是:
[0022](1)聲聚焦效果很好
[0023]現(xiàn)有的聲聚焦透鏡所實(shí)現(xiàn)的焦點(diǎn)不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)面積較大的橢圓斑，聲波聚焦效果較差。本專利技術(shù)所提出的聲聚焦環(huán)狀結(jié)構(gòu)，焦點(diǎn)在環(huán)狀結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)，能量非常集中。
[0024](2)聲聚焦頻率范圍廣
[0025]本專利技術(shù)所提出的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的聚焦頻率范圍很廣，當(dāng)環(huán)狀結(jié)構(gòu)尺寸變小，聲聚焦的頻率增大。可高達(dá)近1(^2左右，當(dāng)環(huán)狀結(jié)構(gòu)尺寸變大，聲聚焦的頻率增大?？傻椭?00?左右。如果在進(jìn)一步減小和增大圓環(huán)尺寸，聚焦頻率的變化范圍在100取?1(--之間。
[0026](3)基于位移本征模式聚焦機(jī)制適用范圍廣
[0027]本專利技術(shù)所提出的基于位移本征模式的聲聚焦效應(yīng)適用范圍廣，除了可用于圓環(huán)結(jié)構(gòu)，還可適用于正方形、橢圓形等類型的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
[0028](4)聚焦器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單
[0029]傳統(tǒng)的聚焦器件的尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易加工實(shí)現(xiàn)。本專利技術(shù)所提出的聲聚焦環(huán)狀結(jié)構(gòu)，尺寸適中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工制備，易集成，有利于推廣應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為本發(fā)明所述的浸沒(méi)在水中的金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2(幻平面波與(幻球面波激發(fā)黃銅圓環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲壓分布圖，黃銅圓環(huán)結(jié)構(gòu)中位移變形圖化)平面波與(山球面波，入射聲波頻率為181.7紐2 ；
[0032]圖3入射聲波頻率為(幻123.7紐2與(幻152.7紐2球面波激發(fā)黃銅圓環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲壓分布圖；
[0033]圖4為球面波激發(fā)黃銅圓環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲壓分布圖:(幻尺=3.0 = 2.5 VIII，頻率為 965.0馳；(幻尺=6.0111,1- = 5.0111 頻率為 190.6? ；
[0034]圖5球面波激發(fā)(￡1)正方形黃銅環(huán)狀結(jié)構(gòu)(￡11 = 12.5111111, 3,2 = 15.0111111,頻率為126.1 紐2)與()3)橢圓形黃銅環(huán)狀結(jié)構(gòu)(61 = 15.0111111,132 = 20.0111111,1^3 = 25.0臟，64 =30.0臟，頻率為204.2詘2)產(chǎn)生的聲壓分布圖；
[0035]圖6入射聲波頻率為(幻106.0紐2與(幻155.0紐2球面波激發(fā)鋁圓環(huán)結(jié)構(gòu)(尺=35.0臟，V = 30.0111111)產(chǎn)生的聲壓分布圖。

【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。
[0037]實(shí)施例1
[0038]如圖1所示，采用有限元數(shù)值方法建立浸沒(méi)在水中的金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算聲波聚焦的性能。其中金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)選用黃銅圓環(huán)結(jié)構(gòu)，圓環(huán)外徑6 = 30.0111111,內(nèi)徑1 =25.5臟。計(jì)算所用的材料參數(shù)分別為:黃銅的密度84004/1113，縱波速度440(^/8及橫波速度22000/8 ；水的密度998匕?3及聲速1483111/8。
[0039]圖2(幻為181.7紐2的平面波激發(fā)黃銅圓環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲壓分布圖，平面波的位置為左側(cè)邊界“ =-40皿)，可以看出，入射平面波在圓環(huán)中心聚焦，形成一個(gè)圓形的焦點(diǎn)。
[0040]為了說(shuō)明任意方向的入射聲波激發(fā)圓環(huán)結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生聚焦效應(yīng)，采用球面波入射，球面波的位置為左側(cè)邊界中點(diǎn)〔坐標(biāo)為(-40111111, 0)〕，圖2 (幻為181.7紐2的球面波激發(fā)黃銅圓環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲壓分布圖，入射球面波同樣在圓環(huán)中心聚焦，形成一個(gè)圓形的焦點(diǎn)。
[0041]為了說(shuō)明聲波聚焦的物理機(jī)制，我們計(jì)算得到頻率為181.7紐2的平面波與球面波激發(fā)黃銅圓環(huán)結(jié)構(gòu)的位移變形圖，如圖2 (0)和2 ((1)，黑色箭頭表示位移本征模式的振動(dòng)方向?？梢钥闯觯瑑煞N情況的位移本征模式相同，本征模式的振動(dòng)方向沿著黃銅圓環(huán)結(jié)構(gòu)的徑向，在本征模式作用下，入射聲波在黃銅圓環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳播方向發(fā)生改變，聲波傳播方向均指向圓環(huán)中心，進(jìn)而在圓環(huán)中心聚焦成一點(diǎn)。
[0042]除了頻率181.7紐2以外，黃銅圓環(huán)結(jié)構(gòu)還可在其他多個(gè)本征頻率實(shí)現(xiàn)聲波聚焦，圖3(3)和3(13)分別表示頻率為123.7紐2與152.7紐2的球面波激發(fā)黃銅圓環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲壓分布圖，可以看出，入射球面波同樣在圓環(huán)中心聚焦，形成一個(gè)圓形的焦點(diǎn)。
[0043]實(shí)施例2
[0044]從圖2與圖3的結(jié)果可以得到:當(dāng)黃銅圓環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為I？ = 30.0111111與I =25.5臟時(shí)，聚焦頻率出現(xiàn)在100詘2左右。
[0045]現(xiàn)保持黃銅和水的材料參數(shù)不變，變化黃銅圓環(huán)的內(nèi)外半徑，聲波聚焦的本征頻率會(huì)發(fā)生變化。如圖4(8)和4()3)所示，黃銅圓環(huán)內(nèi)外半徑為0 = 3.01^111與1 = 2.5 11111時(shí)，聲波聚焦的本征頻率可高達(dá)965.0102，而當(dāng)黃銅圓環(huán)內(nèi)外半徑為I？ = 6.0111與I = 5.0111時(shí)，聲波聚焦的本征頻率可低至190.6?，說(shuō)明本發(fā)明所提出的環(huán)狀結(jié)構(gòu)聚焦頻率范圍很廣，只要調(diào)整環(huán)狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)外半徑，即可得到不同頻率的聲聚焦效應(yīng)。
[0046]實(shí)施例3
[0047]此外，除了圓形金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)外，本發(fā)明所提出的聲聚焦機(jī)制還可以適用于不同形狀的金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)，圖5(幻表示頻率為126.1紐2球面波激發(fā)正方形黃銅環(huán)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲壓分布圖；圖5(6)表示頻率為204.2紐2球面波激發(fā)橢圓形黃銅環(huán)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲壓分布圖，計(jì)算中正方形黃銅環(huán)狀結(jié)構(gòu)參數(shù)為￡11 = 12.5皿，82 = 15.0皿；橢圓形黃銅環(huán)狀結(jié)構(gòu)參數(shù)為61 = 15.0臟，1)2 = 20.0臟，63 = 25.0臟，64 = 30.0麵；黃銅和水的參數(shù)與圖2相同，可以看出，入射球面波在環(huán)狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部聚焦。說(shuō)明本發(fā)明所提出的基于位移本征模式的聲聚焦機(jī)制可適用于不同形狀的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
[0048]實(shí)施例4
[0049]除了黃銅之外，本發(fā)明所提出的聲聚焦機(jī)制還可以適用其他金屬材料的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，圖6(3)和6(13)分別表示頻率為106.0紐2與155.0紐2的球面波激發(fā)鋁圓環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲壓分布圖，圓環(huán)外徑I？ = 35.0皿，內(nèi)徑I = 30.0皿。計(jì)算所用的材料參數(shù)分別為:銷(xiāo)的密度27004?3，縱波速度6260111/8及橫波速度308(^/8 ；水的密度998匕?3及聲速1483^/80可以看出，入射球面波同樣在鋁圓環(huán)中心聚焦，形成一個(gè)圓形的焦點(diǎn)。說(shuō)明本發(fā)明所提出的基于位移本征模式的聲聚焦機(jī)制可適用于不同金屬材料的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
[0050]所述實(shí)施例為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見(jiàn)的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于位移本征模式的聲波聚焦器件，其特征在于，包括金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)和水，所述金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)浸沒(méi)在水中，所述金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)外徑R = 3.0 μ--?6.0m，內(nèi)徑r = 2.5 μ--?5.0m0
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲波聚焦器件，其特征在于:所述金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)的材料為銅、鐵、鋼、鋁、鋅、金、銀、鎳及合成金屬材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲波聚焦器件，其特征在于:所述環(huán)狀結(jié)構(gòu)的形狀為圓形、正方形或橢圓形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲波聚焦器件，其特征在于:所述聲波聚焦器件的聲聚焦焦點(diǎn)在環(huán)狀結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲波聚焦器件，其特征在于:所述聲波聚焦器件的聲聚焦頻率范圍在10Hz?IGHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲波聚焦器件，其特征在于，能夠用于醫(yī)學(xué)聚焦超聲婦科、月中瘤治療儀器，海洋聲學(xué)探測(cè)器，如黑匣子信號(hào)探測(cè)器。
【文檔編號(hào)】G10K11/26GK104505088SQ201510010200
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2015年1月8日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月8日
【發(fā)明者】孫宏祥, 夏建平 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)