1.本发明涉及工程应用中的水下声聚焦领域，尤其是涉及一种适用于水下高宽频声聚焦且焦距可调的用于声聚焦的声学透镜及声学透镜的制备方法。
背景技术：2.声聚焦是声学领域中重要的研究方向之一，声聚焦通常使用声学透镜来实现，可应用于医学领域的诊断和治疗，也可用于无损检测和食品工业等方面。比如在医学领域中，利用超声聚焦手段，可以准确定位到小组织结构，并在确保治疗效果的情况下，不对目标组织之外造成较大的损伤。再如潜艇等水下航行器的声探测功能，其中一项关键点在于提高声纳系统的信噪比，可借助在潜艇表面铺设特性阻抗远大于海水特性阻抗的声障板，其主要作用是提高表面的声聚焦/反射能力，从而提高声呐水听器的灵敏度。
3.中国实用新型专利cn202120678557.6公开了一种用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置，能够对声波形成集中反射，使得反射声波会聚于同一点，从而高效地实现水下三维宽带聚焦，但是，在很多场景下，需要营养声学透镜进行透射以实现超声聚焦。因此，研发一种适用于高频、水下且具有良好聚焦性能的声功能透镜在各类实际应用中是很有必要的。
技术实现要素：4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于声聚焦的声学透镜及声学透镜的制备方法，根据设定的声发射距离和预期焦距，改变透镜波带尺寸，声不透明带的材料为高声阻抗材料，即可反射掉与声透明带相位相反的声成分,从而造成相长干涉，实现在水下高频条件下的声聚焦功能，且可根据频率大小准确调整焦距，设计的声学透镜具有镜头尺寸小、几何形状平坦且聚焦效率高等特点。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种用于声聚焦的声学透镜，包括多个波带，其中，透镜中心的波带为圆形的声透明带，其余的波带为圆环形的声透明带和声不透明带，所有的波带同轴且声透明带和声不透明带交替分布，自透镜中心向外，所述波带的宽度递减。
7.优选的，所述透镜包括多个圆环和多个细颈，所述圆环由高声阻抗材料制成，多个圆环同心排列并由细颈连接，位于最内侧的圆环的中心形成圆形的声透明带，其余圆环形成声不透明带，相邻圆环之间的间隙形成声透明带，自内向外，各个圆环的宽度递减，相邻圆环之间的间隙递减。
8.优选的，所述透镜由金属蚀刻技术一体成型。
9.优选的，所述透镜的厚度为亚波长厚度。
10.优选的，各个波带的宽度如下：
11.12.其中，n＝1、2、
…
、n，n为透镜中的波带个数，d表示入射距离，f为设计的焦距，λ为设计的波长，设r0＝0，圆形的声透明带的半径为r
1-r0，第n个波带的宽度为r
n-r
n-1
。
13.一种用于声聚焦的声学透镜的制备方法，包括以下步骤：
14.构建一个透镜模型，所述透镜包括多个波带，其中，透镜中心的波带为圆形的声透明带，其余的波带为圆环形的声透明带和声不透明带，所有的波带同轴且声透明带和声不透明带交替分布，自透镜中心向外，所述波带的宽度递减；
15.确定各个波带的宽度，使得声透明带可通过相同相位的声波，声不透明带过滤掉具有与之相反相位的声波。
16.优选的，使用高声阻抗材料制成圆环，按照各个波带的宽度确定各个圆环的内外径，将多个圆环同心排列并由细颈连接，位于最内侧的圆环的中心形成圆形的声透明带，其余圆环形成声不透明带，相邻圆环之间的间隙形成声透明带，自内向外，各个圆环的宽度递减，相邻圆环之间的间隙递减。
17.优选的，制备过程具体为：在一块高声阻抗材料制成的底板上，采用金属蚀刻技术蚀刻出空白区域作为声透明带，保留圆环作为声不透明带，保留细颈连接圆环。
18.优选的，所述透镜的厚度为亚波长厚度。
19.优选的，确定各个波带的宽度具体为：
20.预设计工作频率f、焦距f和波带个数n，确定发射器的半径a，确定工作频率f下的水下声波长λ，计算入射距离d，d＝a2/λ，按照下式确定各个波带的宽度：
[0021][0022]
其中，n＝1、2、
…
、n，设r0＝0，圆形的声透明带的半径为r
1-r0，第n个波带的宽度为r
n-r
n-1
。
[0023]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0024]
(1)透镜聚焦性能良好，焦距较为准确，且聚焦效率较高。
[0025]
(2)透镜的聚焦性能具有较高的鲁棒性，在一定范围内改变透镜尺寸和工作频率时，焦点处的半峰全宽(fwhm)变化不大。
[0026]
(3)提供了一种声学透镜制备设计方法，按此方法设计的已确定尺寸的透镜，在一定范围内改变工作频率时，其实际焦距与工作频率呈线性变化，能较为准确的调控焦距。
[0027]
(4)声学透镜结构均为一体化设计，实际加工可以实现一体成型，几何形状平坦，结构尺寸小而轻便。
附图说明
[0028]
图1为声学透镜的结构示意图；
[0029]
图2为声学透镜的焦点附近场强图的模拟、实验对比图；
[0030]
图3为声学透镜的透镜性能的模拟、实验对比图；
[0031]
附图标记：1、声不透明带，2、声透明带，3、细颈。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案
为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0033]
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。
[0034]
实施例1：
[0035]
一方面，本技术提供一种用于声聚焦的声学透镜，包括多个波带，其中，透镜中心的波带为圆形的声透明带2，其余的波带为圆环形的声透明带2和声不透明带1，声透明带2可通过相同相位的声波，声不透明带1过滤掉具有与之相反相位的声波，所有的波带同轴且声透明带2和声不透明带1交替分布，自透镜中心向外，波带的宽度递减，圆形的声透明带2的宽度即其半径，圆环形的波带的宽度即其内外圆半径差值。
[0036]
透镜的厚度为亚波长厚度。
[0037]
如图1所示，本实施例中，透镜包括多个圆环和多个细颈3，圆环由高声阻抗材料制成，高声阻抗材料可以选择黄铜材料等，多个圆环同心排列并由细颈3连接，位于最内侧的圆环的中心形成圆形的声透明带2，其余圆环形成声不透明带1，相邻圆环之间的间隙形成声透明带2，自内向外，各个圆环的宽度递减，相邻圆环之间的间隙递减。在设计时不考虑用于连接的细颈3，细颈3的作用仅为连接各个波带，且由于细颈3相对于整体尺寸很小，对聚焦效果几乎不产生影响，其材料与透镜主体材料相同，为黄铜等高声阻抗类材料。
[0038]
具体的，制备时，透镜可以由金属蚀刻技术一体成型，在一块高声阻抗材料制成的底板上，采用金属蚀刻技术蚀刻出空白区域作为声透明带2，保留圆环作为声不透明带1，保留细颈3连接圆环。
[0039]
其他实施方式中，也可以选用声阻抗高的材料作为声不透明带1，选用声阻抗低的材料作为声透明带2，依次连接起来即可。
[0040]
为使具有相同相位的声波通过透明区域汇聚到焦点，同时利用不透明区域过滤掉具有相反相位的声波，设计的各个波带的宽度如下：
[0041][0042]
其中，n＝1、2、
…
、n，n为透镜中的波带个数，d表示入射距离，f为设计的焦距，λ为设计的波长，设r0＝0，圆形的声透明带2的半径为r
1-r0，第n个波带的宽度为r
n-r
n-1
。
[0043]
另一方面，本技术提供一种用于声聚焦的声学透镜的制备方法，包括以下步骤：
[0044]
构建一个透镜模型，透镜包括多个波带，其中，透镜中心的波带为圆形的声透明带，其余的波带为圆环形的声透明带和声不透明带，所有的波带同轴且声透明带和声不透明带交替分布，自透镜中心向外，波带的宽度递减；
[0045]
确定各个波带的宽度，使得声透明带可通过相同相位的声波，声不透明带过滤掉具有与之相反相位的声波。
[0046]
具体的，背景介质为水，在透镜一侧距离d的位置设置一个声波换能器。其中d＝a2/λ，其中a为换能器的辐射面的半径，λ为设计工作频率f下的水下声波长。此时，在使用活塞式换能器作为发射器时，在远场中，活塞可以被描述为具有给定方向性的点源发射器。
[0047]
设计预期焦距f，为使具有相同相位的声波通过透明区域汇聚到焦点，同时利用不
透明区域过滤掉具有相反相位的声波，则在另一侧f即可处实现相长干涉。考虑到两个连续区域的压力传播路径之间的λ/2增加，可以得到透镜半径的设计方程，可以使用以下表达式计算半径：
[0048]
预设计工作频率f、焦距f和波带个数n，确定发射器的半径a，确定工作频率f下的水下声波长λ，计算入射距离d，d＝a2/λ；
[0049]
按预设工作频率f、焦距f和波带个数n，确定发射器的半径a和入射距离d得到确定的n个波带尺寸后，可以逆推得到在改变工作频率f时，实际焦距变化关系，如下式：
[0050][0051]
其中，δ2＝nv,v是水下声速。可以看出在工作频率较高(约5mhz)时，方程后两项近似为0，由此，第一项实际焦距f与工作频率f呈近似线性关系。
[0052]
因此，可以按照下式确定各个波带的宽度：
[0053][0054]
其中，n＝1、2、
…
、n，设r0＝0，圆形的声透明带的半径为r
1-r0，第n个波带的宽度为r
n-r
n-1
，此时通过每个区域的声波相位分布为[(n-1)π，nπ]。
[0055]
通过上述的逆推实际焦距和工作频率的关系，从理论、模拟、实验上验证了其近似线性相关性，按照本技术设计的声学透镜，在一定范围内改变工作频率时，其实际焦距与工作频率呈线性变化，能较为准确的调控焦距。
[0056]
基于以上确定的几何参数，制备截面平坦，即具有相同厚度的高宽频声聚焦透镜，透镜的厚度为亚波长厚度，如下：使用高声阻抗材料制成圆环和细颈，按照各个波带的宽度确定各个圆环的内外径，将多个圆环同心排列并由细颈连接，位于最内侧的圆环的中心形成圆形的声透明带，其余圆环形成声不透明带，相邻圆环之间的间隙形成声透明带，自内向外，各个圆环的宽度递减，相邻圆环之间的间隙递减。
[0057]
制备过程具体为：在一块高声阻抗材料制成的底板上，采用金属蚀刻技术蚀刻出空白区域作为声透明带，保留圆环作为声不透明带，保留细颈连接圆环。
[0058]
本实施例中，换能器半径a为12.7mm，入射距离d＝134.4mm。波带数量n为16，当设计焦距f＝10，20，30mm时，得到的透镜半径分别为10.363，12.078，13.491mm，此处的透镜半径是透镜的整体半径大小。
[0059]
本技术通过实验对设计得到的适用于水下高宽频声聚焦且焦距可调的声学透镜聚焦效果进行了验证，如图2所示，是模拟和实验的对比图，其中，图2中的(a)、(c)分别为焦点处声强的横截面和纵截面场图的仿真结果，(b)、(d)分别为焦点处声强的横截面和纵截面场图的实验结果，从图中可以看出模拟与实验结果接近，半峰全宽约为一个波长。如图3所示，是该结构的鲁棒性与焦距可调性的模拟和实验对比图，图3中的(a)、(b)分别是f/d和工作频率f对半峰全宽影响的仿真与实验对比，(3)是工作频率与实际焦距的关系的仿真与实验对比(10s、15s、20s分别代表设计焦距f为10mm、15mm、20mm的模拟结果。10e、15e、20e分别代表设计焦距f为10mm、15mm、20mm的实验结果)，其中通过改变波带数量改变透镜整体直径，可以看出在一定范围内改变透镜尺寸和工作频率时，聚焦效果较为稳定，表明该结构的
聚焦效果具有一定的鲁棒性；同时，改变工作频率时，可以看出实际焦距与工作频率呈线性变化关系，这为精准调控实际焦距提供了条件，实现了最初的设计目的。
[0060]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
技术特征：1.一种用于声聚焦的声学透镜，其特征在于，包括多个波带，其中，透镜中心的波带为圆形的声透明带，其余的波带为圆环形的声透明带和声不透明带，所有的波带同轴且声透明带和声不透明带交替分布，自透镜中心向外，所述波带的宽度递减。2.根据权利要求1所述的一种用于声聚焦的声学透镜，其特征在于，所述透镜包括多个圆环和多个细颈，所述圆环由高声阻抗材料制成，多个圆环同心排列并由细颈连接，位于最内侧的圆环的中心形成圆形的声透明带，其余圆环形成声不透明带，相邻圆环之间的间隙形成声透明带，自内向外，各个圆环的宽度递减，相邻圆环之间的间隙递减。3.根据权利要求2所述的一种用于声聚焦的声学透镜，其特征在于，所述透镜由金属蚀刻技术一体成型。4.根据权利要求1所述的一种用于声聚焦的声学透镜，其特征在于，所述透镜的厚度为亚波长厚度。5.根据权利要求1所述的一种用于声聚焦的声学透镜，其特征在于，各个波带的宽度如下：其中，n＝1、2、
…
、n，n为透镜中的波带个数，d表示入射距离，f为设计的焦距，λ为设计的波长，设r0＝0，圆形的声透明带的半径为r
1-r0，第n个波带的宽度为r
n-r
n-1
。6.一种用于声聚焦的声学透镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：构建一个透镜模型，所述透镜包括多个波带，其中，透镜中心的波带为圆形的声透明带，其余的波带为圆环形的声透明带和声不透明带，所有的波带同轴且声透明带和声不透明带交替分布，自透镜中心向外，所述波带的宽度递减；确定各个波带的宽度，使得声透明带可通过相同相位的声波，声不透明带过滤掉具有与之相反相位的声波。7.根据权利要求6所述的一种用于声聚焦的声学透镜的制备方法，其特征在于，使用高声阻抗材料制成圆环，按照各个波带的宽度确定各个圆环的内外径，将多个圆环同心排列并由细颈连接，位于最内侧的圆环的中心形成圆形的声透明带，其余圆环形成声不透明带，相邻圆环之间的间隙形成声透明带，自内向外，各个圆环的宽度递减，相邻圆环之间的间隙递减。8.根据权利要求7所述的一种用于声聚焦的声学透镜的制备方法，其特征在于，制备过程具体为：在一块高声阻抗材料制成的底板上，采用金属蚀刻技术蚀刻出空白区域作为声透明带，保留圆环作为声不透明带，保留细颈连接圆环。9.根据权利要求6所述的一种用于声聚焦的声学透镜的制备方法，其特征在于，所述透镜的厚度为亚波长厚度。10.根据权利要求6所述的一种用于声聚焦的声学透镜的制备方法，其特征在于，确定各个波带的宽度具体为：预设计工作频率f、焦距f和波带个数n，确定发射器的半径a，确定工作频率f下的水下声波长λ，计算入射距离d，d＝a2/λ，按照下式确定各个波带的宽度：
其中，n＝1、2、...、n，设r0＝0，圆形的声透明带的半径为r
1-r0，第n个波带的宽度为r
n-r
n-1
。
技术总结本发明涉及一种用于声聚焦的声学透镜及声学透镜的制备方法，声学透镜包括多个波带，其中，透镜中心的波带为圆形的声透明带，其余的波带为圆环形的声透明带和声不透明带，所有的波带同轴且声透明带和声不透明带交替分布，自透镜中心向外，波带的宽度递减。与现有技术相比，本发明根据设定的声发射距离和预期焦距，改变透镜波带尺寸，声不透明带的材料为高声阻抗材料，即可反射掉与声透明带相位相反的声成分,从而造成相长干涉，实现在水下高频条件下的声聚焦功能，且可根据频率大小准确调整焦距，设计的声学透镜具有镜头尺寸小、几何形状平坦且聚焦效率高等特点。状平坦且聚焦效率高等特点。状平坦且聚焦效率高等特点。
技术研发人员：金亚斌 潘啸 李勇
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2022.07.06
技术公布日：2022/11/1
