一种通过不规则栅格结构生成弯曲声束的方法技术

本发明专利技术公开了一种通过不规则栅格结构生成弯曲声束的方法，属于声场调控技术领域。本发明专利技术通过构建不规则栅格结构，分别通过栅格结构的宽度和厚度调控透射波束的宽度和相位，生成弯曲声束，相对于使用其他声学结构和主动控制的方法，使用本发明专利技术所提供的方法不需要额外的电路，对换能器尺寸亦无要求，具有极大的便利性与可实现性，在调节相位上具有结构简单，加工难度低，易于实现的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种通过不规则栅格结构生成弯曲声束的方法
本专利技术属于声束调控
，涉及一种生成弯曲声束的方法，更具体地说，涉及一种通过构建不规则栅格结构，利用栅格结构的宽度和厚度调控透射波束的宽度和相位，生成弯曲声束的方法。
技术介绍
衍射是声波的基本性质之一，由于衍射，声束在传播过程中，逐渐扩大，能量随之分散。1941年，Stratton首次提出了非衍射波的概念【Stratton,J.A.andL.J.Chu,DiffractionTheoryofElectromagneticWaves.PhysicalReview,1939.56(1):p.99-107.】，即具有在自由空间内传播时能够保持波束形状不变的特性的波。1987年，Durning在研究光纤中光传播时首先发现了波束的包络函数为贝塞尔(Bessel)函数的非衍射波【Durnin,J.,M.J.Jr,andJ.H.Eberly,Diffraction-freebeams.PhysicalReviewLetters,1987.58(15):p.1499-1501.】。Bessel束具有沿直线传播，波束形状不发散等特点，具有极大的应用潜力。医学成像技术中，超声波束的性质对成像质量有着重要的影响，使用高质量的超声波束，能够从本质上改善超声成像的质量。围绕着无衍射束的研究，人们揭示出了无衍射束的产生机理：Helmholtz方程中存在着一系列特殊形式的无衍射解。该机理的揭示引发了人们对Helmholtz方程中其他类型的非衍射解的研究，发现了弯曲的非衍射波。弯曲的非衍射波使得声波具备了绕开障碍物成像的能力，使被骨骼遮挡的组织也具备了超声成像的可能。弯曲声束在许多领域有着重大的应用潜力。虽然目前人们通过相控阵的方法在实验上实现了弯曲声束【Zhang,P.etal..Nat.Commun.5:4316】【Zhao,S.etal..Sci.Rep.4,6628】。但该实现方法需要较为复杂的电路设计，且要求阵元间间隔小于半个波长，这一点要求在超声领域难以满足，因而难以广泛应用。理论上人们还提出了通过使用零折射率材料【APL，108，073501】，在压电晶元上设置凹槽结构【jap117104503】等方式调制声波相位实现弯曲声束，然而这些方式受制于机械加工能力难以在实验上实现。
技术实现思路
1.专利技术要解决的技术问题本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种通过不规则栅格结构生成弯曲声束的方法，本专利技术是一种简易的弯曲声束生成方式，通过构建不规则栅格结构，利用栅格结构的宽度和厚度调控透射波束的宽度和相位，生成弯曲声束；该方法不需要额外的电路，对换能器尺寸亦无要求，相对于业界常用的主动控制方法具有极大的便利性与可实现性。2.技术方案为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：本专利技术的一种通过不规则栅格结构生成弯曲声束的方法，其步骤为：步骤一、选择一个Helmholtz方程的具有弯曲特性的非衍射解作为目标函数，并根据目标工作频率给出该弯曲非衍射解的函数图像；步骤二、将弯曲非衍射解的函数图像简化为相邻区间相位差为π的二极化分布，并将该二极化分布应用栅格结构实现；步骤三、根据所得到的栅格结构的宽度L，厚度h，即可生成弯曲声束，通过与理论值对比评价生成的声束质量。更进一步地，步骤二中根据弯曲非衍射解的函数图像构建不规则栅格结构的区间宽度。更进一步地，步骤二中所设计的不规则栅格每一段栅格结构的宽度L与函数的区间宽度相对应。更进一步地，步骤二中所设计的不规则栅格结构的厚度h需满足(h/λ0-h/λ1)＝0.5，λ0与λ1分别为介质与栅格结构材料中声波波长，使之在栅格结构的出射面上满足相位差π。更进一步地，步骤一选择半贝塞尔函数作为目标函数。更进一步地，步骤二中每一段栅格结构的宽度L与函数的区间宽度相等。更进一步地，步骤三中使用声束宽度BL、声束位置BP沿传播路径的变化作为声束质量评价标准。更进一步地，声束位置BP取声束传播路径中声强极大值的路径，声束宽度BL取声强极大值-3dB处的波束宽度；声束位置与理论值的最大偏离应小于0.1BP，声束宽度应小于理论声束宽度的110％。更进一步地，若评价声束质量不佳，则调节栅格结构的厚度h，具体过程为：将厚度h以h/100为间隔增加或减少，直到声束质量满足要求。3.有益效果采用本专利技术提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：(1)现有的理论研究表明，通过合理的相位调控可以生成弯曲声束；基于这个理论利用声波在不同介质中的声速的差异，合理设置介质厚度实现对相位的调节；研究人员通过使用相控阵列，采用主动控制的方法，精确调控每个阵元的出射相位，成功的在实验中生成了弯曲声束；但使用相控阵列的方式要求相邻阵元的间隔小于半个波长，对阵元尺寸提出了极高的要求，尤其在超声领域，同时还需要复杂的电路设计实现对阵元的独立控制；本专利技术的通过不规则栅格结构生成弯曲声束的方法，利用栅格结构的宽度和厚度调控透射波束的宽度和相位，生成弯曲声束，该方法不需要额外的电路，对换能器尺寸亦无要求，相对于业界常用的主动控制方法具有极大的便利性与可实现性，相对于使用其他的声学结构诸如零折射率材料，凹槽压电晶元等调节相位的方法，该方法所采用的结构形式具有简单，加工难度低，易于实现的优势；(2)本专利技术的一种通过不规则栅格结构生成弯曲声束的方法，以Helmholtz方程中具有弯曲特性的无衍射解作为目标函数来设计结构，根据现有的理论所生成的弯曲声束也具有良好的无衍射性，具有无衍射性的波束在传播过程中能够保持波束的形状不发生扩散，即能量集中在波束上，因此在远距离传输，复杂介质中具有良好的应用前景；(3)本专利技术的一种通过不规则栅格结构生成弯曲声束的方法，可以实现多种无衍射束，只需按照无衍射函数设计栅格结构的宽度与厚度，就可以通过结构实现该种无衍射束，整个设计方案不需要太复杂的工艺，只需要加工栅格结构，具有加工难度低，稳定性好，易于实现的优点。附图说明图1为本专利技术的通过不规则栅格结构生成弯曲声束的设计流程图；图2为Helmhotz方程的一个无衍射解半贝塞尔函数的图像及其对应的不规则栅格结构的示意图；图3中的(a)为严格使用半贝塞尔函数分布所得到的的半贝塞尔声束的理论图像；图3中的(b)为使用根据半贝塞尔函数所设计的不规则栅格结构所得到的半贝塞尔声束的图像。图4中的(a)为半贝塞尔声束的理论位置和使用结构所得到的声束位置；图4中的(b)为半贝塞尔声束的理论宽度与使用结构所得到的声束宽度。具体实施方式为进一步了解本专利技术的内容，结合附图和实施例对本专利技术作详细描述。光学系统中提出了多种实现弯曲波束的方式，由于方程的一致性，在理论中是具有在声学系统实现弯曲声束的可能的。然而由于声学透镜设计上的困难，采用与光学系统类似的方法实现弯曲声束有着较大的困难。当前声学上新型的无衍射束的产生都是依赖于对多阵元换能器对相位的精确控制，采用声学透镜设计的方式，由于透镜加工设计上的困难较为少见。不同厚度的透镜，对声波的透射率不同，高透射率与精确相位控制都对透镜的厚度有着各自的要求，通常这两点难以同时满足。为了克服上述问题，本专利技术在设计中采用对目标函数做二值化简化的近似方式，大大降低了对相位控制的要求，并进一步提本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过不规则栅格结构生成弯曲声束的方法，其步骤为：步骤一、选择一个Helmholtz方程的具有弯曲特性的非衍射解作为目标函数，并根据目标工作频率给出该弯曲非衍射解的函数图像；步骤二、将弯曲非衍射解的函数图像简化为相邻区间相位差为π的二极化分布，并将该二极化分布应用栅格结构实现；步骤三、根据所得到的栅格结构的宽度L，厚度h，即可生成弯曲声束，通过与理论值对比评价生成的声束质量。

【技术特征摘要】
1.一种通过不规则栅格结构生成弯曲声束的方法，其步骤为：步骤一、选择一个Helmholtz方程的具有弯曲特性的非衍射解作为目标函数，并根据目标工作频率给出该弯曲非衍射解的函数图像；步骤二、将弯曲非衍射解的函数图像简化为相邻区间相位差为π的二极化分布，并将该二极化分布应用栅格结构实现；步骤三、根据所得到的栅格结构的宽度L，厚度h，即可生成弯曲声束，通过与理论值对比评价生成的声束质量。2.根据权利要求1所述的一种通过不规则栅格结构生成弯曲声束的方法，其特征在于：步骤二中根据弯曲非衍射解的函数图像构建不规则栅格结构的区间宽度。3.根据权利要求1或2所述的一种通过不规则栅格结构生成弯曲声束的方法，其特征在于：步骤二中所设计的不规则栅格每一段栅格结构的宽度L与函数的区间宽度相对应。4.根据权利要求3所述的一种通过不规则栅格结构生成弯曲声束的方法，其特征在于：步骤二中所设计的不规则栅格结构的厚度h需满足(h/λ0-h/λ1)＝0.5，λ0与λ1分别为介质与栅格结构材料中声波波长，...

【专利技术属性】
技术研发人员：章东，林洲，郭霞生，屠娟，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32