[实用新型]一种局域共振型声学超材料聚焦透镜

说明书

本实用新型公开了一种局域共振型声学超材料聚焦透镜，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。本实用新型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，使本实用新型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。

技术领域

本实用新型涉及一种局域共振型声学超材料聚焦透镜，属于声学工程领域。

背景技术

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。

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。

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。

本文设计了一种平板局域共振型声学超材料聚焦透镜，可以在较宽的低频范围内实现声学聚焦的功能，易于其它器件联合使用。

发明内容

(1)发明目的

本实用新型的目的在于提供一种可以在较宽低频范围内使用的局域共振型声学超材料聚焦透镜，实现与传统几何光学聚焦透镜相似的声学聚焦透镜。

(2)技术方案

本实用新型的局域共振型声学超材料聚焦透镜，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：散射体单元和基体材料，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。

基体材料可以为空气和水，是声波的传播介质，表明此声学聚焦透镜可以在空气和水中实现同样的效果。

散射体一般为结构钢或相对于基体材料声阻抗较大的其它材料，即散射体声阻抗大于或等于25倍基体材料声阻抗，散射体单元的整体形状呈对称的“十”或选旋转一定角度的“×”字形，散射体以正方晶格形式按固定间距a进行周期性排列，这里注意的是在同一个局域共振型声学超材料聚焦透镜中所有散射体参数需保持一致。

散射体单元的高度h大于或等于四倍的元胞晶格常数a。散射体单元的个数为N个，N一般大于等于或略小于263个，大于此个数对声波聚焦效果的提升作用不明显，小于此个数声波聚焦效果衰减明显。

散射体和基体材料所组成的局域共振型声学超材料聚焦透镜的主体外轮廓为椭圆形，建议椭圆形的长轴和短轴之比为2：1，其相对误差范围不超过建议比值的10％。

在本实用新型的一些实施例中，底座用于固定透镜整体位置和散射体单元的位置。

(3)有益效果

采用本实用新型，与现有的技术相比，本实用新型的优点在于：