基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜及其制备方法，该宽带声聚焦透镜包括基底材料以及位于该基底材料上的分形结构单元阵列，该分形结构单元阵列由多个分形周期单元排列构成，每个分形周期单元对应于聚焦透镜的一个折射点；分形周期单元包括分形单元和空气两部分，任一折射点对应的分形单元的折射率与该折射点的理论折射率相符。本发明专利技术首次采用分形单元形成声学聚焦透镜，为声学工程提供了设计新材料的新方式，通过分形的方式增加声波在单元结构中传播的实际路线长度，提高了单元结构的折射率；该声学聚焦透镜具有宽带特性，能在宽频带范围内实现声波的良好聚焦效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种聚焦透镜及其制备方法，特别涉及一种基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜及其制备方法。
技术介绍
随着人们对新型人工电磁材料理论研究和应用开发的深入，超材料在声学方向的应用也引起了众多研究人员的兴趣。超材料在声学和在电磁学上的类似对应关系已经在前人的研究当中得以证实，将超材料的概念扩展到声波段的可能性也在被该领域的专家研究。基于之前超材料在声学上的研究，单元结构也可以在声波波段得到非自然的参数特性，比如双负特性(负密度和负弹性模量)，零折射率，甚至是负折射率，声成像，隐身，变换声学，和声学表面。声学单元的设计主要有两种策略：谐振单元和有效媒质理论复合材料。近来，以折叠空间结构为基础的非谐振单元的设计的可行性已经在理论上提出并且也被实验证实了。这些结构可以用来设计一些特定的参数，如低吸收和宽工作带宽，但是单元设计上也存在着阻抗匹配的挑战。分形结构常见于自然界地形上的分形地貌特征，经常应用于建筑设计、天线、微波器件设计。分形声学超材料是一种自相似的空间折叠结构，也是因为这种自相似性，分形声学超材料有着很好的特性。分形结构看上去很复杂，但是它可以通过计算机程序设计，并通过3D打印机快速打印成型，具有有着良好的应用前景。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的第一目的在于提供一种基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜，本专利技术的第二目的在于提供该宽带声聚焦透镜的制备方法。技术方案：本专利技术所述的一种基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜，该宽带声聚焦透镜包括基底材料以及位于该基底材料上的分形结构单元阵列，该分形结构单元阵列由多个分形周期单元排列构成，每个分形周期单元对应于聚焦透镜的一个折射点；分形周期单元包括分形单元和空气两部分，任一折射点对应的分形单元的折射率与该折射点的理论折射率相符。具体的，任一折射点对应的分形单元选自一阶～N阶分形单元中的一种，其中，N为整数，且N≥2。进一步的，每阶分形单元为该阶标准分形单元在声传播方向上进行开口处理后形成的变形单元，标准分形单元的结构和尺寸由计算机分形程序根据分形周期单元的周期尺寸自动生成。更进一步的，该周期尺寸基于等效媒质理论、根据聚焦透镜的工作频率范围确定。优选的，基底材料和分形单元由光敏树脂材料经3D打印而成。进一步的，分形单元为希尔伯特分形单元。本专利技术所述的基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜的制备方法，包括如下步骤：步骤1，确定待制备的聚焦透镜每一折射点的理论折射率值；步骤2，通过分形周期单元实现每一折射点的理论折射率，确定每一折射点对应的分型周期单元中分形单元的结构和尺寸；步骤3，将步骤2得到的各折射点对应的分形单元按照声聚焦透镜理论要求排列形成分形结构单元阵列，并将其固定于基底材料上，形成宽带声聚焦透镜的结构模型，通过3D打印该结构模型得到宽带声聚焦透镜。上述步骤1中，根据双曲正割函数n(y)＝n0sech(αy)确定聚焦透镜每一折射点的理论折射率值，其中，n0为聚焦透镜中心处的折射率值，h为半个聚焦透镜的高度，nh为聚焦透镜边缘处的折射率值。具体的，步骤2中，分形单元的结构和尺寸通过如下方法确定：步骤21，根据待制备的聚焦透镜的中心折射率值n0，确定用于模拟聚焦透镜的分形单元的最高阶数N，N≤n0≤N+1，N为整数；步骤22，根据待制备的聚焦透镜的工作频带，确定分形周期单元的周期尺寸；将周期尺寸录入计算机分形程序，由该程序自动生成一阶～N阶标准分形单元的结构和尺寸；步骤23，分别提取一阶～N阶标准分形单元的性能参数，与待制备的聚焦透镜的折射率梯度分布进行比对，根据比对结果分别在声传播方向上对一阶～N阶标准分形单元的结构进行开口处理，得到用于模拟聚焦透镜的一阶～N阶分形单元的结构和尺寸；步骤24，提取一阶～N阶分形单元的性能参数，通过扫参得到各阶分形单元的折射率，对照待制备的聚焦透镜的每个折射点的理论折射率，确定每个折射点对应的分形单元。进一步的，步骤3中，将分形单元按照周期尺寸排列形成分形结构单元阵列，并将其固定于基底材料上，得到宽带声聚焦透镜的结构模型，采用光敏树脂材料打印该结构模型，得到宽带声聚焦透镜。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术首次采用分形单元用于形成声学聚焦透镜，为声学工程提供了设计新材料的新方式，通过分形的方式增加声波在单元结构中传播的实际路线长度，提高了单元结构的折射率；而且，随着分形单元的阶数的提高，也更容易获得高折射率，由分形单元形成的透镜或吸波器具有较优异的性能；(2)本专利技术的声学聚焦透镜具有宽带特性，能在宽频带范围内能实现声波的良好聚焦效果；(3)本专利技术的声学聚焦透镜制备方法简单快捷，而且原材料采用光敏树脂，制得的声学聚焦透镜具有轻质量和低成本的特点，适于推广应用。附图说明图1为本专利技术的宽带声聚焦透镜的结构示意图；图2a为实施例中一阶分形单元的结构示意图；图2b为实施例中二阶分形单元的结构示意图；图2c为实施例中三阶分形单元的结构示意图；图3a为实施例中一阶分形单元在2kHz～5kHz频段内的等效折射率、等效阻抗、等效密度以及等效模量的变化曲线；图3b为实施例中二阶分形单元在2kHz～5kHz频段内的等效折射率、等效阻抗、等效密度以及等效模量的变化曲线。图3c为实施例中三阶分形单元在2kHz～5kHz频段内的等效折射率、等效阻抗、等效密度以及等效模量的变化曲线。图4为实施例中一阶、二阶、三阶分形单元在2kHz～5kHz频段内的折射率变化曲线；图5为实施例中待制备的声学聚焦透镜的理想折射率分布和分形单元可实现的离散折射率分布；图6为实施例中制得的聚焦透镜的结构示意图；图7a为2kHz和5kHz工作频率下测得的实际测试声透镜和仿真声透镜沿x方向的的输出声压幅度分布图；图7b为2kHz和5kHz工作频率下测得的实际测试声透镜和仿真声透镜沿y方向的输出声压幅度分布图；图8a为2kHz时透镜仿真的声压分布与实际测试透镜得到的声压分布；图8b为3kHz时透镜仿真的声压分布与实际测试透镜得到的声压分布；图8c为4kHz时透镜仿真的声压分布与实际测试透镜得到的声压分布；图8d为5kHz时透镜仿真的声压分布与实际测试透镜得到的声压分布。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。本专利技术的基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜，如图1，该宽带声聚焦透镜包括分形结构单元阵列2和基底材料1，分形结构单元阵列2位于该基底材料1上的，用于模拟声学聚焦透镜各折射点的折射率，基底材料1用于支撑分形结构单元阵列2。分形结构单元阵列2由多个分形周期单元排列构成，每个分形周期单元对应于聚焦透镜的一个折射点。每个分形周期单元具有相同的周期尺寸U，周期尺寸U采用等效媒质理论方法、根据聚焦透镜的工作频率范围确定。分形周期单元包括分形单元3和空气两部分，任一折射点对应的分形单元3的折射率与该折射点的理论折射率相符。任一折射点对应的分形单元3均可选自一阶～N阶分形单元中的一种，其中，N为整数，且N≥2；可先根据分形周期单元的周期尺寸U由计算机分形程序生成各阶标准分形单元的结构和尺寸，然后对各阶标准分形单元在声传播方向上进行开口处理，得到最终的各阶分形单元的结构和尺寸；通过开口处理，使每个折射点对应的分形单元3的折射率与理论折射率相符，使声学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜，其特征在于，所述宽带声聚焦透镜包括基底材料(1)以及位于该基底材料(1)上的分形结构单元阵列(2)，该分形结构单元阵列(2)由多个分形周期单元排列构成，每个分形周期单元对应于聚焦透镜的一个折射点；所述分形周期单元包括分形单元(3)和空气两部分，任一折射点对应的分形单元(3)的折射率与该折射点的理论折射率相符。

【技术特征摘要】
1.一种基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜，其特征在于，所述宽带声聚焦透镜包括基底材料(1)以及位于该基底材料(1)上的分形结构单元阵列(2)，该分形结构单元阵列(2)由多个分形周期单元排列构成，每个分形周期单元对应于聚焦透镜的一个折射点；所述分形周期单元包括分形单元(3)和空气两部分，任一折射点对应的分形单元(3)的折射率与该折射点的理论折射率相符。2.根据权利要求1所述的基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜，其特征在于，任一折射点对应的分形单元(3)选自一阶～N阶分形单元中的一种，其中，N为整数，且N≥2。3.根据权利要求2所述的基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜，其特征在于，每阶分形单元为该阶标准分形单元在声传播方向上进行开口处理后形成的变形单元，标准分形单元的结构和尺寸由计算机分形程序根据分形周期单元的周期尺寸自动生成。4.根据权利要求3所述的基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜，其特征在于，该周期尺寸基于等效媒质理论、根据聚焦透镜的工作频率范围确定。5.根据权利要求1所述的基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜，其特征在于，所述基底材料(1)和分形单元(3)由光敏树脂材料经3D打印而成。6.根据权利要求1所述的基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜，其特征在于，所述分形单元(3)为希尔伯特分形单元。7.一种权利要求1所述的基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，确定待制备的聚焦透镜每一折射点的理论折射率值；步骤2，通过分形周期单元实现每一折射点的理论折射率，确定每一折射点对应的分形周期单元中分形单元(3)的结构和尺寸；步骤3，将步骤2得到的各折射点对应的分形单元(3)按照声聚焦透镜理论要求排列形成分形结...

【专利技术属性】
技术研发人员：程强，宋刚永，黄蓓，董慧媛，崔铁军，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32