本发明专利技术公开了一种基于变换声学的环形声波聚焦透镜，包括按层排布在物体外侧的多个声学超材料单元；所述的多个声学超材料单元按层排布，且外层的多个声学超材料单元按照环形分布，形成声波聚焦透镜；所述的声学超材料单元为X型固体结构；X型固体结构的等效质量密度和弹性模量呈各向异性分布。本发明专利技术基于变换声学理论，通过多个声学超材料单元在物体的外侧按层排布成环形声波聚焦透镜，以及通过X型固体结构的声学超材料单元的设置，当声波入射到装置内部时，改变声波的传播路径，使得声波在障碍物另一侧形成聚焦；该装置实现声波可避障和隐藏物体。隐藏物体。隐藏物体。
【技术实现步骤摘要】
一种基于变换声学的环形声波聚焦透镜
[0001]本专利技术涉及声学超材料的声波聚焦领域，具体涉及一种基于变换声学的环形声波聚焦透镜。
技术介绍
[0002]声学超材料是一种新型人工复合材料，由人为设计的特殊单元结构组成，具有很多自然界材料不具备的超常物理特性。通过对这些特性不断地开发利用，人们突破了以往对声学材料研究的局限性，声学材料的应用领域将不断扩展，为声学器件的设计和应用提供新的思路。
[0003]基于声学超材料的声波聚焦技术在许多领域有着广泛的应用。例如在生物医学领域，根据声学超材料的亚波长特性，将声学器件进一步优化，精简结构，提高集成度。根据这一特性制成的超声显微镜成本低、安装难度小。声波聚焦技术的研究为生物医学成像开辟了新的领域，在生物医学检验中具有广泛的应用。
[0004]目前，基于声学超材料的声波聚焦方式有两种。一种是通过实现负折射率，共振机制是实现的基础，根据这种方法制作的声透镜聚焦频率很小，并且声波波长和声透镜的尺寸之间必须是可比拟的，如果出现频率很低的情况，声透镜的尺寸则会特别大。另外一种则是通过改变声透镜构造，使其横向折射率随距离呈现二次方变化，从而使声透镜能够完成自聚焦。而想通过设计声透镜构造来使折射率分布呈现函数变化，这对设计要求是很高的，增加了设计难度。
技术实现思路
[0005]本专利技术提出了一种基于变换声学的环形声波聚焦透镜；利用声学超材料单元精简结构，将装置的整体尺寸做的较小，便于应用；能有效的解决上述技术问题。
[0006]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0007]一种基于变换声学的环形声波聚焦透镜，包括按层排布在物体外侧的多个声学超材料单元；所述的多个声学超材料单元按层排布，且外层的多个声学超材料单元按照环形分布，形成声波聚焦透镜；所述的声学超材料单元为X型超材料固体结构；X型超材料固体结构的等效质量密度和弹性模量呈各向异性分布。
[0008]进一步的，所述的X型超材料固体结构的等效质量密度和弹性模量分布为：
[0009][0010]其中，B表示弹性模量，B
‑1为B的倒数，B
b
为介质的模量，为介质模量的倒数；ρ
φ
为角方向质量密度，ρ
r
为径向方向上的质量密度；r
i
为媒质内半径，r为超材料单元所围成的半径，r
o
为媒质外半径，上式中，r
i
、r、r
o
需满足r
i
＜r＜r
o
的条件。
[0011]进一步的，所述的X型超材料固体结构的中心为空心的正方形结构，正方形的四角
处设置有沿对角线向外延伸的四条边，使得X型超材料固体结构形成旋转对称结构。
[0012]进一步的，所述X型超材料固体结构的长度为d，且每一层的X型超材料固体结构的长度d相同，不同层的X型超材料固体结构的长度d可调；所述X型超材料固体结构的位置排布和等效声学参数使声波作用在装置正交方向上时，使得环形声波聚焦透镜所在区域呈现的等效折射率不同。
[0013]进一步的，所述X型超材料固体结构的厚度为t，正方形中部空心处的边长为c；X型超材料固体结构的四条边，四条边中每条边的总厚度为f；所述四条边的中间均设置有与正方形空心处连通的开口，开口的宽度为s。
[0014]进一步的，所述X型超材料固体结构的厚度t为1毫米，正方形中部空心处的边长c为2.4毫米；X型超材料固体结构的四条边，四条边中每条边的总厚度f为2.5毫米；所述四条边的中间均设置有与正方形空心处连通的开口，开口的宽度s为0.5毫米；所述X型超材料固体结构的长度d的可调节范围为2.5毫米至10毫米。
[0015]进一步的，所述声学超材料单元采用ABS或光敏树脂为原材料。
[0016]进一步的，所述声学超材料单元的固体结构采用3D打印技术加工制成。
[0017]有益效果
[0018]本专利技术提出的一种基于变换声学的环形声波聚焦透镜，与传统的现有技术相比较，其具有以下有益效果：
[0019](1)本技术方案基于变换声学理论，通过多个声学超材料单元在物体的外侧按层排布成环形声波聚焦透镜，以及通过X型固体结构的声学超材料单元的设置，当声波入射到装置内部时，改变声波的传播路径，使得声波在障碍物另一侧形成聚焦；通过对单元结构d值的调控，控制装置的折射率，从而对声波进行操控；不影响被探测物体与外部介质接触；实现声波可避障和隐藏物体的功能。
[0020](2)本技术方案基于声学超材料技术的研究，利用声学超材料单元精简透镜的结构，通过改变材料本身等效密度和弹性模量，控制装置折射率的变化，对声波进行操控。当声波入射到装置内部时，单元结构折射率的改变会引导声波通过装置，在障碍物另一侧形成聚焦。可以将装置的整体尺寸做的较小，便于应用。
[0021](3)本技术方案通过X型超材料固体结构中内部的镂空，以及多个声学超材料单元(X型超材料固体结构)在障碍物的外侧按层排布成环形。本装置对覆盖障碍物形状无硬性要求，能够广泛使用。
[0022](4)本技术方案具有较宽的工作带宽，在2kHz至5kHz范围内有较好的聚焦效果，工作性能大幅提升。本方案由3D打印技术快速制成，便于制造，不影响障碍物于背景介质的接触。
附图说明
[0023]图1为本专利技术的基本原理图。
[0024]图2为4kHz时障碍物覆盖环形声波聚焦媒质时总声压场图、声能量分布图。
[0025]图3为4kHz时环形声波聚焦媒质幅度分布曲线图。
[0026]图4为单个声学超材料单元的结构示意图。
[0027]图5为声学超材料单元不同d值在不同频率下折射率的变化曲线图。
[0028]图6为本专利技术的整体结构示意图。
[0029]图7为4kHz时障碍物覆盖聚焦装置时总声压场图、声能量分布图、声场相位分布图。
[0030]图8为4kHz时障碍物覆盖聚焦装置时幅度分布曲线图。
[0031]图9为2kHz时障碍物覆盖聚焦装置时总声压场图、声能量分布图、声场相位分布图。
[0032]图10为5kHz时障碍物覆盖聚焦装置时总声压场图、声能量分布图、声场相位分布图。
具体实施方式
[0033]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0034]实施例1：
[0035]如图6所示，一种基于变换声学的环形声波聚焦透镜，包括按层排布在障碍物外侧的多个声学超材料单元；所述的多个声学超材料单元按层排布，且外层的多个声学超材料单元按照环形分布，形成声波聚焦透镜；所述的声学超材料单元，固体结构为X型超材料固体结构；X型超材料固体结构的等效质量密度和弹性模量呈各向异性分布。每个声学超材料单元的的位置和等效声学参数使得声波作用在装置正交方向上时，装置所在区域本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于变换声学的环形声波聚焦透镜，包括按层排布在物体外侧的多个声学超材料单元；其特征在于：所述的多个声学超材料单元按层排布，且外层的多个声学超材料单元按照环形分布，形成声波聚焦透镜；所述的声学超材料单元为X型超材料固体结构；X型超材料固体结构的等效质量密度和弹性模量呈各向异性分布。2.根据权利要求1所述的一种基于变换声学的环形声波聚焦透镜，其特征在于：所述的X型超材料固体结构的等效质量密度和弹性模量分布为：其中，B表示弹性模量，B
‑1为B的倒数，B
b
为介质的模量，为介质模量的倒数；ρ
φ
为角方向质量密度，ρ
r
为径向方向上的质量密度；r
i
为媒质内半径，r为超材料单元所围成的半径，r
o
为媒质外半径，上式中，r
i
、r、r
o
需满足r
i
＜r＜r
o
的条件。3.根据权利要求1所述的一种基于变换声学的环形声波聚焦透镜，其特征在于：所述的X型超材料固体结构的中心为空心的正方形结构，正方形的四角处设置有沿对角线向外延伸的四条边，使得X型超材料固体结构形成旋转对称结构。4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于变换声学...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋刚永，仇俊杰，吴丹，曹苏群，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：
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