[发明专利]固态声学超材料和使用其聚焦声音的方法

说明书

相关申请的引用

本申请要求2009年3月2日提交的美国临时申请61/208,928和2009年5月4日提交的61/175,149的优先权，其二者的公开内容通过引用全文并入本公开中。

发明领域

本发明涉及声学超材料，更具体涉及具有固态声子晶体的声学超材料。本发明还涉及使用这样的超材料来聚焦声音的方法。

背景技术

Sukhovich等人在“Experimental and theoretical evidence for subwavelength imaging in phononic crystals”，Physical Review Letters 102，154301(2009)(其通过引用全文并入本文)公开了一种表现出负折射的、用于平透镜中以获得超分辨率的声子晶体。所述声子晶体包括在充满甲醇的空间中的含不锈钢棒三角晶格。当被水包围时，所述声子晶体在550kHz的频率下表现出有效折射率为-1。

但是，流体的使用降低了该声子晶体在制造和使用方面的实践性。

在一个单独的研究领域中，在2009年7月9日以WO 2009/085693 A1公开的PCT国际专利申请No.PCT/US2008/086823(其公开内容通过引用全文并入本文)公开了一种用于消音的固体声子晶体。然而该声子晶体适于实现的功能即消音与本发明所关注的领域完全不同。为实现该功能，该申请中公开的声子晶体包含具有第一密度的第一介质(橡胶)和布置在所述第一介质中的基本上周期性的结构阵列，所述结构由具有不同于所述第一密度的第二密度的第二介质(空气)制成。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供比Sukhovich等的文章所提供的更实用的解决方案。

为实现上述及其他目的，本发明涉及一种声子晶体，其中上述Sukhovich等的参考文献的流体被固体材料所代替，所述固体材料的纵向声速(C_l)接近流体的声速(例如水的1500m/秒)，横向声速(C_t)小于所述纵向声速(例如小于100m/秒)。这样的固体材料的行为表现就像流体一样，因为其横向声速远小于其纵向声速。这样的固体材料的实例为有机或无机橡胶。由于仅由固体组分制成，故这种类型的固体超材料对于众多应用来说是更实用的解决方案。内含物(inclusions)可以是圆柱体(横截面可为任何形状)以形成所谓的2D声子结构或者可以是球体(立方体或任何其他形状)以制备3D固体/固体超材料。在其下超材料具有所需行为表现的频率的可调性通过控制构成材料的性质以及声子晶体的大小和几何形状实现。

下面我们将示出，2D橡胶-钢超材料可表现出负折射和亚波长分辨率(超透镜效应)。

附图说明

下面将结合附图阐述本发明的优选实施方案，在附图中：

图1为示出在一段时间内平均的压力绝对值的曲线图；

图2为示出瞬时压力场的线图；

图3为示出能量通量的垂直分量的线图；

图4为示出通过图像的垂直切割的线图；

图5A-5C为示出束缚模型的线图；

图6为示出声子晶体的结构的照片；和

图7为示出声全息成像系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细阐述本发明的优选实施方案。

模拟钢橡胶透镜在520kHz下的行为。所有几何参数均与Sukhovich等的论文中相同。唯一的不同在于，甲醇(流体)被C_l＝1200m/s和C_t＝20m/s的橡胶(固体)所代替。暂时不涉及粘弹性。声源与Sukhovich等的相同，位于透镜左边。

图1中给出了在一段时间内平均的压力绝对值。像点在透镜右边。图1表明，橡胶/钢透镜表现出负折射现象，得到所述源的图像。

图2中给出了瞬时压力场并示出了由所述源以及所述图像发出的近球面波。在图3中观察到相同的聚焦，在图3中绘制了能通量的垂直分量。注意，能通量的水平分量总是从左指向右(这里未示出)。可以看出，在晶体内波的方向有一次改变。出口处又有一次方向改变，二者均对应于负折射。在晶体的出口侧，这些波束相交，导致图像的形成。使用这种新的固体/固体超材料，获得了以前仅在流体/固体体系中观察到的特征。