一种基于声学隧道阵列的超宽带声波聚焦结构

技术领域

本发明属于声学技术领域，具体涉及一种基于声学隧道阵列的超宽带声波聚焦结构。

背景技术

声波聚焦结构可将一束入射波(声波)聚焦在小区域内，广泛应用于生物医学成像、外科手术、军事和深海探测等各个领域。2kHz～20kHz属于人可以听到的声波范围，聚焦此范围声波应用广泛，可以增强扩音器，听诊器等的放大倍数，其中3kHz附近是声纳的工作频率；20kHz以上属于低频超声波，可以用于治疗颅内出血、脑卒中等疾病，还可以用于无损检测，用于焊接、清洗和振动密实材质等。目前有多种方式实现声波聚焦，但没有一种结构的频带宽度能够达到本发明的21kHz。因此，目前仍缺乏一种在可听声波以及超声波范围内拥有相当宽的频带宽度的声波聚焦结构。

发明内容

本发明为了解决目前声波聚焦结构频带宽度较窄的问题。

本发明提供了如下技术方案：一种基于声学隧道阵列的超宽带声波聚焦结构，聚焦结构为多条长度相同的声学隧道组成的阵列，聚焦结构的入射面和出射面均为平面，且大小相同；每条声学隧道的边界由声学刚性材料构成，每条声学隧道内填充气体介质，每条声学隧道的边界上都存在周期性的凸起单元。

进一步地，每条声学隧道的宽度w与入射声波的中心波长属于同一数量级。

进一步地，从阵列中间的声学隧道到两边的声学隧道过渡时，每条声学隧道中的凸起单元的高度h逐渐减少；中间的声学隧道的凸起单元高度最高，最大高度数值不大于隧道宽度w的四分之一；最外边的两侧声学隧道的凸起单元高度最低，最小高度数值为零；同一声学隧道内的凸起单元的高度相等。

进一步地，每条声学隧道的长度大于工作频段内最大波长的两倍。

进一步地，每条声学隧道中的凸起单元的周期为亚波长量级。

进一步地，每条声学隧道中的凸起单元的周期为工作中心波长的三分之一。

进一步地，声学隧道的数量乘以隧道宽度w大于入射声波的宽度。

进一步地，声学隧道的边界的厚度小于入射声波的波长，凸起单元的厚度与所在的边界的厚度相同。

进一步地，声学隧道的边界由树脂组成，声学隧道内凸起单元的材质与隧道边界材质相同。

进一步地，声学隧道内填充的气体是空气。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明提供的一种基于声学隧道阵列的超宽带声波聚焦结构，由多条内部刻有周期性凸起单元的、等宽且等长的声学隧道组成。这些声学隧道边界与凸起单元为树脂或者其他隔声材料，隧道内部由空气填充。在自由空间中，声波入射到该结构的入射面后，会在其出射面后的一定位置处产生明显声场焦斑，该结构对2kHz～21kHz的声波均能产生很好的聚焦效果。本发明最大特点是其超宽的频带宽度，在2kHz～21kHz之间都有明显的声波聚焦效果。

附图说明

图1为聚焦结构的示意图；

图2为实施例一的聚焦结构的数值模拟结果：画出的是总声压绝对值的灰度分布图；

图3为实施例一的聚焦结构的21kHz数值模拟结果：画出的是总声压绝对值的灰度分布图；

图4为实施例一的聚焦结构的2kHz数值模拟结果：画出的是总声压绝对值的灰度分布图。

图中：1.1-声学隧道；1.2-声学隧道的边界；1.3-凸起单元。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1所示：一种基于声学隧道阵列的超宽带声波聚焦结构，聚焦结构为多条长度相同的声学隧道组成的阵列，声学隧道可以是直线型，也可以是曲线型，聚焦结构的入射面和出射面均为平面，且大小相同；每条声学隧道的边界由声学刚性材料构成，每条声学隧道内填充气体介质，每条声学隧道的边界上都存在周期性的凸起单元。

每条声学隧道的宽度w与入射声波的中心波长属于同一数量级。

从阵列中间的声学隧道到两边的声学隧道过渡时，每条声学隧道中的凸起单元的高度h逐渐减少；中间的声学隧道的凸起单元高度最高，最大高度数值不大于隧道宽度w的四分之一；最外边的两侧声学隧道的凸起单元高度最低，最小高度数值为零；同一声学隧道内的凸起单元的高度相等。

每条声学隧道的长度大于工作频段内最大波长的两倍。

每条声学隧道中的凸起单元的周期为亚波长量级，比如选择为工作中心波长的三分之一。

声学隧道的数量可以根据入射声波的宽度进行调节，仅需满足声学隧道的数量乘以隧道宽度w大于入射声波的宽度即可。

声学隧道的边界的厚度小于入射声波的波长，凸起单元的厚度与所在的边界的厚度相同。

声学隧道的边界由树脂组成，声学隧道内凸起单元的材质与隧道边界材质相同。声学隧道的边界的材质还可选择为岩棉板、金属等声学刚性材料。

声学隧道内填充的气体是空气，还可以是氮气或其他气体。

实施例1

本实例中声波的工作中心波长设计为0.031182m，对应频率为11kHz的声波。每条声学隧道的边界与凸起单元的材质设计为树脂(杨氏模量为4.5GPa，质量密度为1117kg/m

当声波正入射到该结构的入射面后，在该结构的出射面一侧出现焦斑。图2为该情况下，数值模拟的总声压场绝对值的灰度分布图。

通过图2的模拟结果可以看出声波入射到本发明提出的声波聚焦结构后，对设计的中心波长可产生预期的聚焦效果。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。