[发明专利]一种声学共振聚焦透镜及其设计方法

说明书

本发明公开了一种声学共振聚焦透镜及其设计方法，属于物理声学领域。本声学共振聚焦透镜是一种由基体、多个局域共振型散射体单元和底座所组成的人工周期性声学结构，其中基体材料可以为空气和水，散射共振体单元形状呈“十”字形。共振聚焦透镜内部元胞按正方晶格形式进行周期性地排列，透镜主体外围轮廓呈一个“长方体”，主体安放在透镜底座上。本发明利用了声子晶体局域共振腔和声波负折射的基本原理设计了一种声学共振聚焦透镜，使本发明的声学共振聚焦透镜相比于现有的声学聚焦透镜结构简单、厚度更薄，可以在多种介质中对平面波和球面波均实现很好的声波聚焦效果。

技术领域

本发明涉及一种声学共振聚焦透镜的设计方法，属于物理声学领域。

背景技术

2000年J.B.Pendry提出了利用负折射制作光学完美透镜的思想。2008年AlexeySuckhovich首先在实验上证实了超声波负折射现象存在于二维棱镜形状的声子晶体中，并且声波的传播方向可由元胞等频线图的梯度变化方向来判断。由此表明利用声子晶体和负折射原理同样可以实现声学完美透镜，从而实现声波聚焦。自2008年以来声学完美透镜和声学超透镜成为了声波聚焦领域的研究热点。到2015年，Nadège Kaina1在《自然》杂志上发表文章，首次设计出一种单负超材料实现了负折射和声学超透镜。利用声子晶体散射和共振的原理是制作声学超透镜的重要手段，其一般是由两种或两种以上的不同介质在空间上交替排列所构成的人工周期性结构。当声波传入周期性结构中，波数在布里渊区内周期性出现，甚至波数方向与声波相速度相反，从而发生负折射现象，由此改变了声波的传播特性产生了新的特征。在后续的研究中，人们不断通过调整声子晶体散射共振体的结构形式和材料参数等方法来调控声波的传播。这些方法为减振降噪、声学隐身、超分辨声学成像等领域带来了新的突破。

在声学聚焦透镜领域中，当进入透镜的所有声波成分都无损失地参与了声波成像，把这种透镜称为“完美透镜”。但在实际材料中一定会存在声波的色散和吸收，所以不存在理想的完美透镜，但存在能够显著提高分辨率的超透镜。

经检索，关于实现声学聚焦透镜的设计最近已有相关专利公开。如发明专利CN201410157527.5，公开了名为“一种声学超透镜的镜结构体和声学超透镜及其成像装置”的专利；发明专利CN201510816714.4，公开了名为“一种聚焦声透镜的设计方法”的专利；发明专利CN201610589500.2，公开了名为“基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜及其制备方法”的专利。这些专利均在一定程度上利用声子晶体和负折射的基本原理，为声学聚焦的设计都提供了一种新的方法，但他们之间具有设计方法复杂或应用场合少等问题。

本发明设计了一种平板声学共振聚焦透镜，可以在较宽的范围内实现声学聚焦的功能，与上述聚焦透镜效果不同的是：本发明声学共振聚焦透镜不再局限于水平面上的声波聚焦，有益效果主要在于竖直平面(散射共振体长度方向)的聚焦，易于其它器件组合使用产生新的效果，为三维声学聚焦成像提供了一种新的思路。

发明内容

(1)发明目的

本发明的目的在于提供一种声学共振聚焦透镜及其设计方法，可以在较宽频率范围和竖直平面内实现和传统几何光学聚焦透镜相似功能的声学聚焦透镜，为三维声学聚焦成像装置的设计打下基础。

(2)技术方案

本发明的声学共振聚焦透镜，包括底座和元胞，所述元胞为整个人工周期性结构的基本构成单元，元胞包括：散射共振体单元和基体材料，散射共振体单元作为元胞的主要构成材料，周期性排列在底座上；基体材料作为声波的传播介质，充满在散射共振体单元的周围。

基体材料可以为空气和水，是声波的传播介质，表明此声学聚焦透镜可以在空气声学和水声学领域中实现同样的效果。

优选的，元胞以正方晶格的形式按固定间距a周期性排列在底座上，元胞周期性排列所构成的主体外围轮廓为一长方体。长方体的长宽高之比为3.4:1:3.47。