一种局域共振型声学超材料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CN108735197A(43)申请公布日2018.11.02(21)申请号201810284196.X(22)申请日2018.04.02(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)发明人梁旭阮永都王立忠王玉红王体涛邓禹(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)发明名称一种局域共振型声学超材料聚焦透镜及其设计方法(57)摘要本发明公开了一种局域共振型声学超材料聚焦透镜及其设计方法，属于声学工程领域。本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，散射体单元形状呈“十”字形，散射体所组成的周期性阵列结构的外围轮廓呈一个椭圆形状并置于底座上。本发明利用了声子晶体局域共振的基本原理结合了一种新的结构形式，使本发明的声学聚焦透镜相比于现有的声学聚焦透镜，可以在多种介质中和较宽的中低频范围内实现良好的声波聚焦效果。CN108735197ACN108735197A权利要求书1/1页1.一种局域共振型声学超材料聚焦透镜，其特征在于包括：底座和元胞，所述元胞为周期性结构，按固定间距排列在底座上，元胞周期排列构成的主体外轮廓为椭圆形，椭圆形的短轴和长轴之比为1:1.8～2.2，所述元胞包括：一个散射体单元，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，充满散射体单元周围。2.根据权利要求1所述的局域共振型声学超材料聚焦透镜，其特征在于所述的元胞为正方晶格的形式。3.根据权利要求1或2所述的局域共振型声学超材料聚焦透镜，其特征在于所述的散射体单元呈对称的正“十”字形，散射体单元的中心为元胞的中心，散射体单元以任意旋转角度排列在元胞内，所有元胞内的散射体单元的旋转角度相同；散射体单元之间按固定间距进行周期性排列。4.根据权利要求1或3所述的局域共振型声学超材料聚焦透镜，其特征在于所述散射体单元的高度h大于或等于四倍的元胞晶格常数a。5.根据权利要求1所述的局域共振型声学超材料聚焦透镜，其特征在于所述的基体材料为水或空气。6.根据权利要求1所述的局域共振型声学超材料聚焦透镜，其特征在于所述的散射体单元声阻抗大于或等于25倍基体材料声阻抗。7.一种如权利要求1所述局域共振型声学超材料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，选定工作场所即选定基体材料；步骤2.根据波长，确定散射体单元形状、个数和结构的参数；步骤3.利用数值计算方法得到步骤2确定的局域共振型元胞的能带结构，对比能带结构，确定工作频率f是否在声学聚焦透镜的可用范围内，如果不在频率范围内，返回步骤二，直到条件满足为止；步骤4.制备底座，并在底座上根据晶格常数、结构参数和椭圆大小确定出散射体单元的位置，根据散射体单元的位置和结构参数对底座挖空，预留出散射体单元的安装位置。步骤5.制作散射体单元，并按正方晶格形式周期性排列形成声学聚焦透镜阵列，然后将散射体阵列安装到预留位置处。2CN108735197A说明书1/4页一种局域共振型声学超材料聚焦透镜及其设计方法技术领域[0001]本发明涉及一种局域共振型声学超材料聚焦透镜的设计方法，属于声学工程领域。背景技术[0002]利用声子晶体原理进行声波聚焦是2000年以来的研究热点，声子晶体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性出现，从而改变声波的传播特性产生了新的特征。在后续的研究中，人们不断地通过调整声子晶体的材料参数，采用缺陷态的方式或者改变散射体的几何形状引入局部共振等方法来调控声波的传播。这些方法为减振降噪、声学隐身、超分辨声学成像等领域带来了新的突破。[0003]当结构尺度远小于工作波长的声子晶体又被称为声学超材料，局域共振机理正是目前用来实现“小尺寸控制大波长”研究的新方向。基于局域共振机理调整声子晶体的材料参数和几何形状可以在声波中低频范围内得到与传统几何光学聚焦透镜相似的声学聚焦透镜。[0004]经检索，关于实现声学聚焦透镜的设计已有相关专利公开。如专利申请号201510816714.4，公开了名为“一种聚焦声透镜的设计方法”的专利；专利申请号201610589500.2，空开了名为“基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜及其制备方法”的专利。这些专利为声学聚焦都提供了一种新的方法，但具有难以用于低频、设计方法复杂或应用场合少等问题。[0005]本文设计了一种平板局域共振型声学超材料聚