声学模式转换的系统和方法技术方案

本公开提供与用于超声和声辐射设备的模式转换相关联的系统和方法。形成具有声学材料属性分布的模式转换结构(全息超颖材料)，该声学材料属性分布被选择为将声压图案从第一模式转换为第二模式以获得与输入辐射图案不同的目标辐射图案。全息方程的解提供了声学材料属性的分布的足够精确的近似值，以形成模式转换设备。可以使用一种或多种优化算法来提高声学模式转换器的模式转换和生成的效率。

System and method of acoustic mode conversion

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】声学模式转换的系统和方法优先权申请的所有主题在这些主题不与本文不一致的情况下通过引用并入本文。
本公开涉及用于声辐射装置的模式转换结构。模式转换结构可以包括声学材料属性的体积分布，以在有限的频率范围内将输入声学模式转换为输出声学模式。附图说明专利或申请文件包含至少一个以颜色执行的附图。专利局将根据请求和支付的必要费用提供带有彩色附图的本专利或专利申请公开的副本。图1A图解了体积全息介质的示例，其示出了用于增强二维各向同性线源的方向性的折射率的体积分布的实部值。图1B图解了全息解决方案的示例，其示出了用于增强二维各向同性线源的方向性的折射率的体积分布的虚部值。图2A示出了被全息超颖材料包围的线源的场分布的示例(模式转换结构)，其具有近似于图1A和1B所示的分布的折射率的分布。图2B示出了图2A中的线源的远场辐射图案的示例，所述线源由具有图1A和1B所示的折射率分布的模式转换结构包围。图3示出了用于将二维点偶极天线的辐射图案转换为定向射束的折射率的体积分布的示例。图4A示出了由模式转换结构包围的二维点偶极子源的场分布的示例，该模式转换结构的折射率分布近似于图3所示的分布。图4B示出了图4A中的二维点偶极子源的远场辐射图案的示例，其由具有图3所示的折射率分布的模式转换结构所包围。图5示出了通过优化图1A所示的解决方案而产生的优化的折射率的体积分布的示例。图6A示出了由具有近似于图5所示的分布的折射率分布的模式转换结构包围的二维各向同性线源的场分布的示例。图6B示出了图6A中的被具有图5所示的折射率分布的模式转换结构包围的二维各向同性线源的远场辐射图案的示例。图7示出了通过优化图3所示的解决方案而生成的优化的折射率的体积分布的示例。图8A示出了由模式转换结构包围的二维点偶极子源的场分布的示例，该模式转换结构具有近似于图7所示的分布的折射率分布。图8B示出了图8A中的被具有图7所示的折射率分布的模式转换结构包围的二维点偶极子源的远场辐射图案的示例。图9示出了将声辐射从第一模式转换为第二模式的声模式转换结构的示例。图10A示出了利用优化的二元模式转换结构增强的圆形超声喇叭的声压强度图案的示例。图10B示出了利用被配置为插入到超声喇叭中的以折射率的二元体积分布优化的模式转换结构的示例。图10C示出了插入超声喇叭中的二元优化模式转换结构。图11A示出了将声学材料属性的体积分布离散化为多个离散的声学材料属性的表示。图11B示出了图11A的一部分的特写图。图11C示出了圆柱形模式转换结构的可能实施方案的表示，其具有被分配离散的声学材料属性的单个的体素。图12示出了模式转换结构的针对具有亚波长尺寸的体素的声学材料属性的有效分布的表示。图13示出了第一波导内的被配置为将超声能量从第一模式转换为第二模式的模式转换结构的表示的一实施方案。图14示出了超声能量的模拟实施方案，其中第一波导处于由模式转换结构转换成第二波导内的第二模式的第一模式。具体实施方式根据多种实施方案，本文描述了与模式转换结构有关的系统、装置和方法，该模式转换结构被配置为修改电磁辐射(EMR)设备的场图案和/或声辐射(AR)的压力场。对于电磁辐射，可以生成具有折射率的体积分布的模式转换结构，该模式转换结构可以用于将电磁场从原始EMR装置生成的第一模式转换为第二模式。对于声辐射，可以生成具有声学材料属性(例如与线性弹性张量和动态密度张量关联的属性)的体积分布的模式转换结构，该模式转换结构影响声波的折射率。声学模式转换结构可以将压力场从由AR设备生成的第一模式转换为第二模式。本文描述的模式转换结构的一些实施方案同样适用于AR设备和EMR设备。其他实施方案和描述可能更适合一种类型的辐射而不是另一种类型的辐射。例如，描述介电常数的分布或与介电常数有关的实施方案可能更适合于EMR设备。另一方面，描述声学材料属性的分布的实施方案可能更适合于AR设备。然而，由于在许多情况下多种实施方案的元件和配置是可互换的，因此在此描述了两者。特别地，折射率的概念适用于EMR和AR设备两者。使用折射率描述的数学基础包括波动方程、亥姆霍兹方程和射线近似法(射线声学、射线光学等)。在一些实施方案中，可以形成模式转换结构，该模式转换结构提供用于EMR设备的第一目标模式转换和用于AR设备的第二目标模式转换。此外，基于本文描述的方法，AR设备的波长可以与EMR设备的波长一致。例如，第二模式可以在辐射近场中具有更窄的波束宽度、更高的方向增益、更低的远场旁瓣和/或更均匀的辐射轮廓。在一些实施方案中，模式转换结构可以修改压力场以补偿或消除辐射设备(EMR或AR)的近场或远场中的再辐射、反射或折射物体的影响。超声AR设备可以生成与扬声器、静电扬声器、压电换能器、MEMS换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器(EMAT)、电动扬声器和无源散热器的声近场分布相对应的超声辐射。模式转换结构可以在模式转换结构的输入侧上接收压力场图案，并在第二模式下在与输出声辐射相对应的输出侧上输出压力场模式。在第二模式下的输出声辐射可以对应于不同的声近场分布。可以选择模式转换结构的折射率、介电常数或声学材料属性的分布，以在有限的频率范围内修改辐射设备的场或压力模式，并将辐射从第一模式转换为第二模式。在EMR模式转换结构的多种实施方案中，该模式转换结构可以理想化为具有介电常数的连续分布的渐变介电常数结构，使得整个结构的介电常数没有突变。给定有限的波长范围，对于给定的带宽，渐变介电常数的离散分段连续近似可以在电磁上等效。类似地，可以生成和/或使用渐变密度或其他渐变的声学材料属性结构来生成具有声学材料属性的体积分布的模式转换结构的离散的分段连续近似。因此，在多个实施方案中，模式转换结构可以被划分为多个亚波长体素。即，模式转换结构可以在概念上被认为包括最大尺寸小于相关带宽内的波长的多个体素(三维像素)。例如，每个体素的最大尺寸可以小于预定频率范围内的波长(例如，最小波长)的一半。模式转换结构可以包含超颖材料，并且被称为全息超颖材料设备，其可用于针对特定频率范围修改EMR或AR设备的近场和/或远场。在一些实施方案中，体素可以是立方体、平行六面体、四面体、棱锥体、棱柱、各种规则的多面体或其他多面体。在一些实施方案中，体素可以具有一个或两个亚波长的维度，而其他维度大于波长。模式转换结构可以是平坦的或弯曲的，并且可以是脊状的或柔性的(或至少具有柔性部分)。模转换结构可以具有不均匀的厚度和/或可以填充空隙以利用非转换材料产生均匀的厚度。在多种实施方案中，可以使用体素形状和/或尺寸的组合。此外，可以设置体素的形状和/或尺寸，以使得在体素之间几乎没有或没有空间、间隙或空隙。替代地，可以布置体素，使得存在不同尺寸和/或形状的间隙或空隙。在一些实施方案中，在计算体积声学材料属性时，可以忽略和/或忽视间隙或空隙。替代地，可以为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，其包括：/n具有声学材料属性的体积分布的模式转换结构，该模式转换结构被配置为相对于声辐射(AR)设备定位，以在有限的频率范围内将所述AR设备的声场轮廓从输入模式修改为输出模式，/n其中，所述模式转换结构划分为多个亚波长体素，/n其中每个体素的最大尺寸小于所述有限频率范围内的频率的波长的一半，并且/n其中，为每个体素分配多个声学材料属性中的一个，以近似于所述模式转换结构的所述声学材料属性的分布。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170518 US 15/599,3421.一种装置，其包括：
具有声学材料属性的体积分布的模式转换结构，该模式转换结构被配置为相对于声辐射(AR)设备定位，以在有限的频率范围内将所述AR设备的声场轮廓从输入模式修改为输出模式，
其中，所述模式转换结构划分为多个亚波长体素，
其中每个体素的最大尺寸小于所述有限频率范围内的频率的波长的一半，并且
其中，为每个体素分配多个声学材料属性中的一个，以近似于所述模式转换结构的所述声学材料属性的分布。


2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述声学材料属性的体积分布包括材料属性的体积分布，所述材料属性的体积分布包括在选定坐标系中的线性弹性张量和动态密度张量的分量。


3.根据权利要求1所述的装置，其中，向每个体素分配声学材料属性，以修改所述声场轮廓，从而实现目标远场或近场辐射图案。


4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述声学材料属性包括线性弹性张量和动态密度张量的分量的组合。


5.根据权利要求1所述的装置，其中，通过由具有独特的体积模量、弹性模量和/或密度的材料形成相应的体素子集中的每个体素，将多个独特的声学材料属性中的每一个分配给所述体素子集，使得基于形成所述体素的所述材料的所述独特的体积模量、弹性模量和/或密度，所述体素子集中的每个体素都具有独特的声学材料属性。


6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述AR设备包括声换能器。


7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述声学材料属性的体积分布包括由具有第一声学特性的第一材料形成的第一体素子集和由具有与所述第一声学特性不同的第二声学特性的第二材料形成的第二体素子集。


8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述第一材料和/或所述第二材料的所述声学特性包括密度、弹性模量和体积模量中的一项或多项。


9.根据权利要求1所述的装置，其中，在标准环境温度压力(SATP)下，所述声学材料属性的体积分布包括由具有第一声学特性的第一固体材料形成的第一体素子集和由具有不同于第一声学特性的第二声学特性的第二液体材料形成的第二体素子集。


10.根据权利要求1所述的装置，其中，选择所述声学材料属性的体积分布以形成对应于全息解决方案的初级声折射率的对应体积分布。


11.根据权利要求10所述的装置，其中，使用以下方程式来选择所述初级声折射率的体积分布：
其中n(x，y，z)是x，y，z坐标系中的所述初级声折射率的体积分布，
其中β是可选的归一化常数，
其中Pin是来自所述AR设备的在所述模式转换结构的表面上的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输入压力场分布，以及
其中Pgoal是来自所述模式转换结构的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输出压力场分布。


12.根据权利要求10所述的装置，其中，使用以下方程式来选择所述声折射率的体积分布：n2(x，y，z)-1＝β|pgoal+pin|2/|pin|2，
其中n(x，y，z)是x，y，z坐标系中的所述声折射率的体积分布，
其中β是可选的归一化常数，
其中Pin是来自所述AR设备的在所述模式转换结构的表面上的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输入压力场分布，以及
其中Pgoal是来自所述模式转换结构的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输出压力场分布。


13.根据权利要求1所述的装置，其中，使用优化算法来选择所述声学材料属性的体积分布，在所述优化算法中，所述声学材料属性被视为可优化变量。


14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述优化算法包括：从与全息解决方案相对应的初始猜测开始。


15.根据权利要求10所述的装置，其中，使用以下方程式来选择所述声折射率的体积分布：
其中n(x，y，z)是x，y，z坐标系中的所述声折射率的体积分布，
其中β是可选的归一化常数，
其中Pin是来自所述AR设备的在所述模式转换结构的表面上的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输入压力场分布，
其中Pgoal是来自所述模式转换结构的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输出压力场分布，以及
其中α是被选定以保持n的最小值的常数。


16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述模式转换结构包括超颖材料。


17.根据权利要求1所述的装置，其中，所述模式转换结构包括非周期性声子晶体。


18.根据权利要求1所述的装置，其中，使用三维打印机来打印所述模式转换结构，以用具有所分配的所述声学材料属性的材料来打印所述亚波长体素中的每一个。


19.根据权利要求1所述的装置，其中，使用汞合金混合、材料层压、注射成型工艺、挤出、发泡、压缩成型、真空成型、吹塑成型、旋转成型、浇铸、旋转浇铸、旋涂浇铸、机械加工、层沉积、化学蚀刻和浸渍模塑中的至少一种来制造所述模式转换结构。


20.一种方法，其包括：
在有限的频率范围内识别用于声辐射(AR)设备的目标辐射图案；
识别三维体积的边界以相对于所述AR设备包围模式转换结构；
识别在所述模式转...

【专利技术属性】
技术研发人员：雅罗斯拉夫·A·乌尔朱莫夫，
申请(专利权)人：埃尔瓦有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US