《一种基于位移本征模式的声波聚焦器件.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种基于位移本征模式的声波聚焦器件.pdf（9页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201510010200.X (22)申请日 2015.01.08 G10K 11/26(2006.01) (71)申请人 江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路 301 号 (72)发明人 孙宏祥 夏建平 (54) 发明名称 一种基于位移本征模式的声波聚焦器件 (57) 摘要 本发明属于声学超材料领域， 提供了一种基 于位移本征模式的声波聚焦器件。本发明公开的 声波聚焦器件为金属环状结构浸没在水中， 金属 环状结构的材料为铜、 铁、 钢、 铝、 锌、 金、 银、 镍及 合成金属材料 ； 所述结构声聚焦效果优异， 焦点 在。
2、环状结构中心点， 能量集中 ； 频率覆盖范围宽， 聚焦频率的变化范围在 100Hz 1GHz ； 声聚焦效 应适用范围广， 可适用于圆环结构， 正方形或椭圆 环状结构 ； 结构简单易实现， 尺寸适中， 易加工， 易集成。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104505088 A (43)申请公布日 2015.04.08 CN 104505088 A 1/1 页 2 1.一种基于位移本征模式的声波聚焦器件， 其特征在于， 包括金属环状结构和水， 所述 金属环状结构浸没在水中， 所述金。
3、属环状结构外径R3.0m6.0m， 内径r2.5m 5.0m。 2.根据权利要求 1 所述的声波聚焦器件， 其特征在于 ： 所述金属环状结构的材料为铜、 铁、 钢、 铝、 锌、 金、 银、 镍及合成金属材料。 3.根据权利要求 1 所述的声波聚焦器件， 其特征在于 ： 所述环状结构的形状为圆形、 正 方形或椭圆形。 4.根据权利要求 1 所述的声波聚焦器件， 其特征在于 ： 所述声波聚焦器件的声聚焦焦 点在环状结构中心点。 5.根据权利要求 1 所述的声波聚焦器件， 其特征在于 ： 所述声波聚焦器件的声聚焦频 率范围在 100Hz 1GHz。 6.根据权利要求 1 所述的声波聚焦器件， 其特征。
4、在于， 能够用于医学聚焦超声妇科、 肿 瘤治疗仪器， 海洋声学探测器， 如黑匣子信号探测器。 权 利 要 求 书 CN 104505088 A 2 1/4 页 3 一种基于位移本征模式的声波聚焦器件 技术领域 0001 本发明属于声学超材料领域， 尤其是一种基于位移本征模式的声波聚焦器件。 背景技术 0002 声波是现实生活中常见的能量载体， 如果声波聚焦效应可以实现， 可运用于各种 需要对声能量实现特殊控制的重要场合， 例如 ： 医学聚焦超声治疗、 建筑声学、 海洋声学等。 因此， 声波聚焦效应的研究具有十分重要的学术价值和应用前景。 0003 实现声波聚焦的有效方法是设计负折射率逐渐变化的。
5、声波聚焦透镜， 通过相位调 控使得入射声波汇聚在一点。目前， 研究人员主要利用声子晶体与声超材料设计声波聚焦 透镜。 0004 基于声子晶体的聚焦透镜， 主要通过调节声子晶体单元尺寸与晶格常数实现聚焦 效应。但声子晶体所能提供的负折射率很低， 虽然可以通过增加声子晶体的层数来提高负 折射率， 却不可避免地造成聚焦透镜尺寸较大。 0005 声超材料拥有自然界材料所不具备的负折射率特性， 通过排列大小逐渐变化的具 有负折射效应的声超材料， 如 ： 十字型结构、 空间折叠结构及雪花型结构， 建立折射率逐渐 变化的聚焦透镜， 可以实现声聚焦效应。 声超材料具有较高的负折射率和较小的阻抗失配， 从而使得。
6、超薄、 高效的声波聚焦透镜成为可能， 然而结构较复杂， 不易加工实现。 0006 传统技术的缺点是 ： 0007 (1) 上述两种声波聚焦透镜， 焦点不是一个点， 而是一个面积较大的斑， 聚焦效果 有待改进 ； (2) 基于声子晶体的声波聚焦透镜， 层数较多， 尺寸较大 ； (3) 基于声学超材料的 声波聚焦透镜， 结构复杂， 不易制造。 0008 导致传统技术缺陷的原因有 ： 0009 (1) 上述两种类型声波聚焦透镜均利用声负折射效应， 设计负折射率逐渐变化结 构， 进而对声波相位进行调制， 以实现声波聚焦效应 , 该机制所实现的声波聚焦效应， 在垂 直于声波传播方向较好， 在沿着声波传播。
7、方向较差， 因此， 焦点不是一个点， 而是一个面积 较大的斑 ； 0010 (2) 基于声子晶体的聚焦透镜， 声子晶体的负折射率很低， 虽然可以通过增加声子 晶体的层数来提高负折射率， 但不可避免地造成透镜系统的尺寸很大 ； 0011 (3) 基于声学超材料的聚焦透镜， 设计具有负折射率的声超材料结构， 如 ： 十字型 结构， 空间折叠结构及雪花型结构。 在此基础上， 将不同结构参数的声超材料单元结构进行 排列， 从而得到负折射率梯度变化的聚焦系统。 虽然声聚焦透镜系统的聚焦效果很好， 但结 构较为复杂， 不易实现。 发明内容 0012 针对传统声聚焦器件聚焦效果差， 尺寸大、 结构复杂、 不。
8、易加工等技术难题， 本发 明提出一种聚焦效果优异、 频率覆盖范围宽、 结构简单易实现的声波聚焦环状结构。 说 明 书 CN 104505088 A 3 2/4 页 4 0013 本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的。 0014 一种基于位移本征模式的声波聚焦器件， 包括金属环状结构和水， 所述金属环状 结构浸没在水中， 外径 R 3.0m 6.0m， 内径 r 2.5m 5.0m ； 0015 所述金属环状结构的材料为铜、 铁、 钢、 铝、 锌、 金、 银、 镍及合成金属材料 ； 0016 所述环状结构的形状可选择为圆形、 正方形、 椭圆形。 0017 将金属环状结构浸没在水中， 金属环状。
9、结构内外两侧均是水， 当声波入射到环状 结构的外表面时， 在一些特定的频率， 可以在金属环状结构的中心产生聚焦现象。 0018 所述声波聚焦器件的声聚焦频率范围在 100Hz 1GHz。 0019 所述声波聚焦器件， 能够用于医学聚焦超声治疗仪器 ( 聚焦超声妇科治疗仪、 聚 焦超声肿瘤治疗仪 )、 海洋声学探测器 ( 黑匣子信号探测器 )。 0020 在本发明中， 采用有限元方法数值模拟声波聚焦性能。 0021 本发明的有益效果是 ： 0022 (1) 声聚焦效果很好 0023 现有的声聚焦透镜所实现的焦点不是一个点， 而是一个面积较大的椭圆斑， 声波 聚焦效果较差。 本专利技术所提出的声聚。
10、焦环状结构， 焦点在环状结构中心点， 能量非常集 中。 0024 (2) 声聚焦频率范围广 0025 本专利技术所提出的环状结构的聚焦频率范围很广， 当环状结构尺寸变小， 声聚 焦的频率增大。可高达近 1GHz 左右， 当环状结构尺寸变大， 声聚焦的频率增大。可低至 100Hz 左右。如果在进一步减小和增大圆环尺寸， 聚焦频率的变化范围在 100Hz 1GHz 之 间。 0026 (3) 基于位移本征模式聚焦机制适用范围广 0027 本专利技术所提出的基于位移本征模式的声聚焦效应适用范围广， 除了可用于圆 环结构， 还可适用于正方形、 椭圆形等类型的环状结构。 0028 (4) 聚焦器件结构简。
11、单 0029 传统的聚焦器件的尺寸较大， 结构复杂， 不易加工实现。 本专利技术所提出的声聚 焦环状结构， 尺寸适中， 结构简单易加工制备， 易集成， 有利于推广应用。 附图说明 0030 图 1 为本发明所述的浸没在水中的金属环状结构示意图 ； 0031 图2(a)平面波与(b)球面波激发黄铜圆环结构产生的声压分布图， 黄铜圆环结构 中位移变形图 (c) 平面波与 (d) 球面波， 入射声波频率为 181.7kHz ； 0032 图 3 入射声波频率为 (a)123.7kHz 与 (b)152.7kHz 球面波激发黄铜圆环结构产生 的声压分布图 ； 0033 图4为球面波激发黄铜圆环结构产生。
12、的声压分布图 ： (a)R3.0m， r2.5m， 频率为 965.0MHz ； (b)R 6.0m， r 5.0m 频率为 190.6Hz ； 0034 图 5 球面波激发 (a) 正方形黄铜环状结构 (a1 12.5mm,a2 15.0mm, 频率为 126.1kHz) 与 (b) 椭圆形黄铜环状结构 (b1 15.0mm,b2 20.0mm,b3 25.0mm,b4 30.0mm, 频率为 204.2kHz) 产生的声压分布图 ； 说 明 书 CN 104505088 A 4 3/4 页 5 0035 图 6 入射声波频率为 (a)106.0kHz 与 (b)155.0kHz 球面波激发。
13、铝圆环结构 (R 35.0mm， r 30.0mm) 产生的声压分布图。 具体实施方式 0036 下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明， 但本发明的保护范围并 不限于此。 0037 实施例 1 0038 如图 1 所示， 采用有限元数值方法建立浸没在水中的金属环状结构模型， 计算声 波聚焦的性能。其中金属环状结构选用黄铜圆环结构， 圆环外径 R 30.0mm， 内径 r 25.5mm。计算所用的材料参数分别为 ： 黄铜的密度 8400kg/m3， 纵波速度 4400m/s 及横波速 度 2200m/s ； 水的密度 998kg/m3及声速 1483m/s。 0039 图 2(a) 。
14、为 181.7kHz 的平面波激发黄铜圆环结构产生的声压分布图， 平面波的位 置为左侧边界 (x -40mm)， 可以看出， 入射平面波在圆环中心聚焦， 形成一个圆形的焦点。 0040 为了说明任意方向的入射声波激发圆环结构都会产生聚焦效应， 采用球面波入 射， 球面波的位置为左侧边界中点坐标为(-40mm,0)， 图2(b)为181.7kHz的球面波激发 黄铜圆环结构产生的声压分布图， 入射球面波同样在圆环中心聚焦， 形成一个圆形的焦点。 0041 为了说明声波聚焦的物理机制， 我们计算得到频率为 181.7kHz 的平面波与球面 波激发黄铜圆环结构的位移变形图， 如图 2(c) 和 2(d。
15、)， 黑色箭头表示位移本征模式的振动 方向。 可以看出， 两种情况的位移本征模式相同， 本征模式的振动方向沿着黄铜圆环结构的 径向， 在本征模式作用下， 入射声波在黄铜圆环结构内部的传播方向发生改变， 声波传播方 向均指向圆环中心， 进而在圆环中心聚焦成一点。 0042 除了频率 181.7kHz 以外， 黄铜圆环结构还可在其他多个本征频率实现声波聚焦， 图 3(a) 和 3(b) 分别表示频率为 123.7kHz 与 152.7kHz 的球面波激发黄铜圆环结构产生的 声压分布图， 可以看出， 入射球面波同样在圆环中心聚焦， 形成一个圆形的焦点。 0043 实施例 2 0044 从图 2 与图。
16、 3 的结果可以得到 ： 当黄铜圆环的结构参数为 R 30.0mm 与 r 25.5mm 时， 聚焦频率出现在 100kHz 左右。 0045 现保持黄铜和水的材料参数不变， 变化黄铜圆环的内外半径， 声波聚焦的本征频 率会发生变化。如图 4(a) 和 4(b) 所示， 黄铜圆环内外半径为 R 3.0m 与 r 2.5m 时， 声波聚焦的本征频率可高达 965.0MHz， 而当黄铜圆环内外半径为 R 6.0m 与 r 5.0m 时， 声波聚焦的本征频率可低至 190.6Hz， 说明本发明所提出的环状结构聚焦频率范围很 广， 只要调整环状结构的内外半径， 即可得到不同频率的声聚焦效应。 0046。
17、 实施例 3 0047 此外， 除了圆形金属环状结构外， 本发明所提出的声聚焦机制还可以适用于不同 形状的金属环状结构， 图 5(a) 表示频率为 126.1kHz 球面波激发正方形黄铜环状结构产生 的声压分布图 ； 图 5(b) 表示频率为 204.2kHz 球面波激发椭圆形黄铜环状结构产生的声压 分布图， 计算中正方形黄铜环状结构参数为 a1 12.5mm,a2 15.0mm ； 椭圆形黄铜环状结 构参数为b115.0mm,b220.0mm,b325.0mm,b430.0mm ； 黄铜和水的参数与图2相 同， 可以看出， 入射球面波在环状结构的内部聚焦。 说明本发明所提出的基于位移本征模式。
18、 说 明 书 CN 104505088 A 5 4/4 页 6 的声聚焦机制可适用于不同形状的环状结构。 0048 实施例 4 0049 除了黄铜之外， 本发明所提出的声聚焦机制还可以适用其他金属材料的环状结 构， 图 6(a) 和 6(b) 分别表示频率为 106.0kHz 与 155.0kHz 的球面波激发铝圆环结构产生 的声压分布图， 圆环外径 R 35.0mm， 内径 r 30.0mm。计算所用的材料参数分别为 ： 铝的 密度 2700kg/m3， 纵波速度 6260m/s 及横波速度 3080m/s ； 水的密度 998kg/m3及声速 1483m/ s。可以看出， 入射球面波同样在。
19、铝圆环中心聚焦， 形成一个圆形的焦点。说明本发明所提 出的基于位移本征模式的声聚焦机制可适用于不同金属材料的环状结构。 0050 所述实施例为本发明的优选实施方式， 但本发明并不限于上述实施方式， 在不背 离本发明的实质内容的情况下， 本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、 替换或 变型均属于本发明的保护范围。 说 明 书 CN 104505088 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104505088 A 7 2/3 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104505088 A 8 3/3 页 9 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 104505088 A 9 。