[发明专利]一种可调节声波聚焦的超表面结构

说明书

本发明提供了一种可调节声波聚焦的超表面结构，该结构由螺旋结构旋拧进设有孔洞的圆盘底座中而形成，通过调控所述螺旋结构旋拧进所述孔洞的深度变化，实现透射声波相位在2π范围内变化，通过调节所述透射声波相位，使得所述透射声波在某一点处达到最强，用于实现声波的聚焦。本发明通过螺旋结构与穿孔圆盘组合得到可调的螺旋声通道，通过调节螺旋声通道可以达到调节透射波相位的目的，通过相位的任意操控可以实现宽频声聚焦。本发明首次实现了超表面的宽频可调声聚焦，在实际应用中具有重要意义。

技术领域

本发明涉及声学技术领域，尤其涉及一种可调节声波聚焦的超表面结构。

背景技术

超表面是在超材料领域最新发展的方向和研究热点之一。2011年通过超表面实现了异常电磁波的透射和反射，对传统电磁波折射定律拓展的工作在美国《科学》杂志发表后引起了广泛的关注。超表面是一种平面型超材料，它具有亚波长的厚度，通过改变表面的相位梯度分布，可实现对电磁波和声波透射与反射性质的灵活调控。通过超表面可实现异常折射、异常反射、汇聚成像、矢量波束生成、传播波向表面波转化等新颖物理效应。

传统超材料一经设计便无法再次改变，其结构形式，操作频率以及应用范围是固定的。这大大限定了超材料的适用性。如果实现对超材料的主动控制则可以通过主动调控的方式来实现对电磁波和声波的任意调控。这有利于制作灵活可控的电磁和声学器件。主动控制的机理是多种多样的，如数字编码调控，压电开关调控，结构变形调控以及形状记忆合金调控等。可调控超表面的研究刚刚兴起还未得到充分的研究，在声学领域中更甚。

发明内容

本发明提供了一种可调节声波聚焦的超表面结构，通过3D打印而成的螺旋结构被旋拧进圆盘的孔洞当中，是一种类似于旋拧螺丝的新的调控机理。螺旋结构与圆盘之间形成的螺旋声通道可以通过旋拧深度进行调整，从而实现对声波相位的连续任意控制。这种可调超表面可以实现对声波的聚焦，且聚焦的焦点和频率都是可调的。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种可调节声波聚焦的超表面结构，该结构由螺旋结构旋拧进设有孔洞的底座中而形成，通过调控所述螺旋结构旋拧进所述孔洞中的深度变化，实现声波的聚焦。

进一步地，所述螺旋结构由两片相对的扇叶绕中心轴盘旋而形成。

进一步地，所述底座为圆盘，所述圆盘设有四层圆周向排列的孔洞，所述孔洞内壁设有与所述螺旋结构吻合的螺纹。

进一步地，所述圆盘上四层孔洞的数量由内而外分别为1个，6个，12个，18个。

进一步地，通过调控所述螺旋结构旋拧进所述孔洞的深度变化，实现透射声波相位在2π范围内变化，通过调节所述透射声波相位，使得所述透射声波的强度在某一点处达到最大值。

进一步地，当所述透射声波为平面波，且声波聚焦时，所述平面波透过所述螺旋结构的螺旋通道在相邻层之间的相位差为：

其中，为所述圆盘上第i层孔洞位置透射声波的相位，λ＝C₀/f为声波的波长，C₀为空气中的声速，为所述圆盘上第i层至聚焦点的距离。

进一步地，当所述透射声波为球面波，且声波聚焦时，所述球面波透过所述螺旋结构的螺旋通道在相邻层之间的相位差为：

其中，为所述圆盘上第i层孔洞位置，λ＝C₀/f为声波的波长，c₀为空气中的声速，是所述圆盘上第i层至聚焦点的距离，是所述圆盘上第i层至点声源的距离。

进一步地，所述螺旋结构和所述圆盘均为硬质材料制成。