基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术提供一种于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置，用于对超声波的超声频率进行空间分离，包括：基座；以及多个凸起体，固定于基座上并呈周期性等间距排列，且该超表面装置提供了超声频率与反射方向的唯一对应关系，能够将混叠不同频率的入射超声束定向分离至不同方向，从而完成超声频率的空间分离。本实用新型专利技术的超表面装置具有很高的灵活性、兼容性和可扩展性，并且具有高效率的空间谱调制能力，在医学超声滤波、频分复用、降噪传感等方面具有重要的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置
本技术属于声学领域，具体涉及一种基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置。
技术介绍
随着声学超表面的迅速发展，设计以调制声频谱为手段的新型声学器件成为国内外研究的一个热点。受到光学领域中光缓冲和光信号处理的启发，研究人员提出了声彩虹陷阱的概念，从而可以有效地捕获宽带声波并在空间上分离不同的频率分量。传统的方法主要是基于局部共振设计具有空间变化负折射率的刚性梯度多孔板结构或者腔体结构，通过单个孔或腔内部的声共振与它们之间相互耦合的平衡作用实现不同频率分量的分离与捕获。然而，这种传统的方案通常不具有随频率平滑变化的响应，有效的频率范围非常有限；再者，由于声波沿结构的传播过程中，前向模式耦合到后向模式之前无法将群速度恰好降低到零，所以这种声波的分离是暂时的，声波振荡最终会向后辐射，这严重限制了其在现实中的应用。因此，设计一种具有高准确度和宽分频范围，并且能够直接接收和检测声波的频率空间分离装置，具有重要的意义。
技术实现思路
本技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置。本技术提供了一种基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置，用于对超声波的超声频率进行空间分离，具有这样的特征，包括：基座；以及多个凸起体，固定于基座上并呈周期性等间距排列，其中，基座与凸起体采用的材料均为声阻抗均大于水的声阻抗的20倍的金属或合金。在本技术提供的基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，相邻两个凸起体之间的距离为0.707λ，λ为入射声波中心频率对应的波长。在本技术提供的基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，凸起体的高度为0.25λ，宽度为0.2λ-0.5λ，λ为入射声波中心频率对应的波长。在本技术提供的基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，基座与凸起体的总高度大于λ，λ为入射声波中心频率对应的波长。在本技术提供的基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，凸起体采用的几何形状为规则的几何形状，且各个所述凸起体的几何形状相同。在本技术提供的基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，凸起体采用的几何形状为矩形、三角形或椭圆形。技术的作用与效果根据本技术所涉及的基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置，因为该超表面装置提供了超声频率与反射方向之间唯一的对应关系，能够将混叠不同频率的入射超声束定向分离至不同方向，各个频率分量可以在空间中得以分离，从而达到超声频率空间分离的效果。因此，本技术仅靠自身的结构特性就可以实现上述功能。因此，本技术的用于频率提取的超声色散反射器能够利用超材料的色散特性对反射声波进行独特的空间谱调制，从而可以在空间中有效分离宽频超声波中的频率分量。另外，本实施例的超声色散反射器呈平板状结构、设计简单、制作成本低、操作空间大，仅靠自身的结构特性就可以实现上述功能，并且能够直接使用单一信号采集装置接收与检测提取后不同频率的反射声波，不需要复杂电路或信号分析以完成频率分离。同时，本技术的超声色散反射器的空间频率分离效果几乎不依赖于凸起体的几何形状，具有很高的灵活性、准确度、兼容性和可扩展性，且这种声学超表面具有高效率的空间谱调制能力，可以达到空间频谱精确调制的效果，在医学超声滤波、频分复用、降噪传感等方面具有重要的应用前景。附图说明图1是本技术的基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置的结构示意图；图2是硬边界与本技术的基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置的反射路径对比图；图3是本技术的基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置的局部结构的x-y平面示意图；图4是本技术的实施例中混叠两个频率超声波的反射压力场仿真分布图；图5是本技术的实施例中仿真和实验下的频率灵敏度曲线示意图；图6是本技术的实施例中仿真和实验下的三角形凸起体分离频率准确度曲线示意图；图7是本技术的实施例中仿真和实验下的矩形凸起体分离频率准确度曲线示意图；图8是本技术的实施例中仿真和实验下的椭圆形凸起体分离频率准确度曲线示意图。具体实施方式为了使本技术实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本技术作具体阐述。图1是本技术的基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置的结构示意图，图中虚线箭头指示入射宽频超声波的传播方向，实线箭头指示反射声波的传播方向。如图1所示，本专利技术提供了一种基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置100，用于对超声波的超声频率进行空间分离，包括：基座1以及多个凸起体2，且基座与凸起体采用的材料均为声阻抗均大于水的声阻抗的20倍的金属或合金。多个凸起体2固定于基座1上并呈周期性等间距排列，基于超声频率与反射方向的唯一对应关系，混叠不同频率的入射超声束可以定向分离至不同方向，从而完成超声频率的空间分离。本技术中，相邻两个凸起体2之间的距离为0.707λ，凸起体2的高度为0.25λ，宽度为0.2λ-0.5λ，且基座1与凸起体2的总高度大于λ，其中，λ为入射声波中心频率对应的波长。本技术中，凸起体2采用的几何形状为形状规则的几何形状，该几何形状不受限制，如矩形、椭圆、三角形以及其它形状规则的几何形状均可实现频率提取的效果，且各个凸起体2的几何形状相同。图2是硬边界与本技术的基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置的反射路径对比图，其中，图2(a)是硬边界的反射路径示意图，图2(b)是本技术的基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置的反射路径示意图。进一步地，如图2(a)所示，当宽频的超声波以某特定角度入射到硬边界上时，超声波仍以混叠频率的形式向法线另一侧反射，此时，反射角等于入射角，如图2(b)所示，当宽频超声波以特定角度入射到水平放置的超表面装置100上时，基于广义斯涅尔定律，超声频率与反射方向之间存在唯一的对应关系，能够将混叠不同频率的入射超声束定向分离至不同方向，从而达到超声频率空间分离的效果。实施例：图3是本技术的基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置的局部结构的x-y平面示意图。如图1和图3所示，本实施例中的每个凸起体2的宽度为w＝0.35λ，高度为H＝0.25λ，排列间距为a＝0.707λ，整个装置的高度为L＝λ，λ为入射声波中心频率对应的波长。对本技术进行仿真，本实施例中的凸起体2的几何形状为三角形，背景介质设定为水，其密度和声本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置，用于对超声波的超声频率进行空间分离，其特征在于，包括：/n基座；以及/n多个凸起体，固定于所述基座上并呈周期性等间距排列，/n其中，所述基座与所述凸起体采用的材料均为声阻抗均大于水的声阻抗的20倍的金属或合金。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置，用于对超声波的超声频率进行空间分离，其特征在于，包括：
基座；以及
多个凸起体，固定于所述基座上并呈周期性等间距排列，
其中，所述基座与所述凸起体采用的材料均为声阻抗均大于水的声阻抗的20倍的金属或合金。


2.根据权利要求1所述的基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置，其特征在于：
其中，相邻两个所述凸起体之间的距离与所述凸起体的宽度之和为0.707λ，λ为入射的所述超声波的中心频率所对应的波长。


3.根据权利要求1所述的基于广义斯涅尔定律实现超声频率空间分离的超表面装置，其特征在于：
其中，所述凸起体的高度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：江雪，他得安，何佳杰，
申请(专利权)人：复旦大学，珠海复旦创新研究院，
类型：新型
国别省市：上海;31