一种声学共振聚焦透镜及其设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109119062A(43)申请公布日2019.01.01(21)申请号201810631222.1(22)申请日2018.06.19(71)申请人浙江大学地址310058浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号(72)发明人梁旭阮永都吕恒邓禹王体涛王玉红(74)专利代理机构杭州求是专利事务所有限公司33200代理人郑海峰(51)Int.Cl.G10K11/30(2006.01)G02B3/12(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图4页(54)发明名称一种声学共振聚焦透镜及其设计方法(57)摘要本发明公开了一种声学共振聚焦透镜及其设计方法，属于物理声学领域。本声学共振聚焦透镜是一种由基体、多个局域共振型散射体单元和底座所组成的人工周期性声学结构，其中基体材料可以为空气和水，散射共振体单元形状呈“十”字形。共振聚焦透镜内部元胞按正方晶格形式进行周期性地排列，透镜主体外围轮廓呈一个“长方体”，主体安放在透镜底座上。本发明利用了声子晶体局域共振腔和声波负折射的基本原理设计了一种声学共振聚焦透镜，使本发明的声学共振聚焦透镜相比于现有的声学聚焦透镜结构简单、厚度更薄，可以在多种介质中对平面波和球面波均实现很好的声波聚焦效果。CN109119062ACN109119062A权利要求书1/1页1.一种声学共振聚焦透镜，其特征在于包括：元胞和底座，所述元胞为周期性结构中用于排列的最小结构单元，元胞以正方晶格的形式排列在底座上，元胞进行周期性排列所构成的共振聚焦透镜的主体外围轮廓呈长方体，长方体的长宽高之比为3.4:1:3.47，所述元胞包括：一个散射共振体单元，作为元胞的主体，周期性排列在底座上；基体材料，作为声波的传播介质，充满在散射共振体单元的周围。2.根据权利要求1所述的声学共振聚焦透镜，其特征在于所述的散射共振体单元呈对称的“十”字型长柱体结构，其左右对称，且上下对称，散射共振体单元可以在元胞内旋转任意角度后排列在底座上，但所有元胞内的散射共振体单元的旋转角度均需相同；散射共振体单元之间按固定间距进行周期性排列。3.根据权利要求1或2所述的声学共振聚焦透镜，其特征在于所述散射共振体单元的高度h大于或等于15倍元胞晶格常数a，并且小于或等于35倍的元胞晶格常数a。4.根据权利要求1所述的声学共振聚焦透镜，其特征在于所述的基体材料为水或空气。5.根据权利要求1所述的声学共振聚焦透镜，其特征在于所述的散射共振体单元材料的声阻抗大于或等于25倍基体材料的声阻抗。6.根据权利要求1所述的声学共振聚焦透镜，其特征在于所述的声学聚焦透镜的聚焦平面为垂直于底座的竖直平面，可以对平面声波和/或球面波均实现声波聚焦。7.一种如权利要求1所述的声学共振聚焦透镜的设计方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1.选定目标工作频率范围f，选定应用场所，即选定基体材料；步骤2.根据波长，确定散射共振体单元的形状参数和数量大小；步骤3.利用数值计算方法计算步骤2所确定元胞的能带结构，根据能带结构图，确定工作频率f是否在声学共振聚焦透镜的可用范围内，如果不在频率范围内，返回步骤2，直到频率大小满足条件为止；步骤4.制备底座，并在底座上根据晶格常数a、散射共振体单元短边长度b和长边长度c、和透镜长宽比确定出散射共振体单元的位置和底座大小，根据散射共振体单元的位置和结构参数对底座镂空，预留出散射共振体单元的安放位置；步骤5.批量制作散射共振体单元，并将其按正方晶格形式周期性排列在底座预留的安装位置之上构成声学共振聚焦透镜。8.如权利要求7所述的设计方法，其特征在于所述的步骤4中为了避免散射共振体单元在使用过程中发生倾斜，使用一块与底座相同的结构，将其安装在散射共振体单元上方。2CN109119062A说明书1/4页一种声学共振聚焦透镜及其设计方法技术领域[0001]本发明涉及一种声学共振聚焦透镜的设计方法，属于物理声学领域。背景技术[0002]2000年J.B.Pendry提出了利用负折射制作光学完美透镜的思想。2008年AlexeySuckhovich首先在实验上证实了超声波负折射现象存在于二维棱镜形状的声子晶体中，并且声波的传播方向可由元胞等频线图的梯度变化方向来判断。由此表明利用声子晶体和负折射原理同样可以实现声学完美透镜，从而实现声波聚焦。自2008年以来声学完美透镜和声学超透镜成为了声波聚焦领域的研究热点。到2015年，NadègeKaina1在《自然》杂志上发表文章，首次设计出一种单负超材料实现了负折射和声学超透镜。利用声子晶体散射和共振的原理是制作声学超透镜的重要手段，其一般是由两种或两种以上的不同介质在空间上交替排列所构成的人工周期性结构。当声波传入周期性结构中，波数在布里渊区内周期