一种声学超表面和声波聚焦装置的制作方法

本发明涉及声学材料技术领域，具体而言，涉及一种声学超表面和声波聚焦装置。

背景技术：

近年来，随着各种声学器件的层出不穷，仅仅使用传统材料的声学特性已经不能满足声学器件的发展需求了，进而声学超表面(超材料)越来越多的出现在声学器件制造技术领域，声学超表面具有特殊的声学特性，声学超表面能够满足利用亚波长的厚度的薄表面来达到对声波的调控，但是现有的声学超表面的结构组成单元无法做到使入射声波的产生的相位延迟的差值变化保持一致，进而不能够更加有效、灵活的进行对入射声波的调控。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种声学超表面和声波聚焦装置，以解决上述问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种声学超表面，该声学超表面包括：

多个第一结构单元和多个第二结构单元，多个所述第一结构单元与多个所述第二结构单元相互连接且位于同一平面上，所述第一结构单元与所述第二结构单元的出射声波的相位延迟差为180度，所述第一结构单元与所述第二结构单元对入射声波具有相同的透射率；

所述第一结构单元和所述第二结构单元分别包括：上平板、下平板、第一侧壁和第二侧壁，所述上平板与下平板之间通过第一侧壁和第二侧壁连接为一体式结构，所述上平板的下表面上均匀设置有多个矩形凸起；

所述上平板上的两个相邻的矩形凸起的中间设置有第一缝隙，所述下平板上对应于两个相邻的矩形凸起的中间位置设置有第二缝隙；

所述第一结构单元的所述第一缝隙与所述第二缝隙之间间隔有一个所述矩形凸起；

所述第二结构单元的所述第一缝隙与所述第二缝隙之间间隔有三个所述矩形凸起。

结合第一方面本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中：

所述上平板上均匀设置有五个矩形凸起，以使所述第一结构单元和所述第二结构单元形成六空腔式结构。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中：

所述上平板上均匀设置有三个矩形凸起，以使所述第一结构单元和所述第二结构单元为四空腔式结构。

结合第一方面，本发明实施里提供了第一方面的的第三种可能的实施方式，其中：

所述第一结构单元与所述第二结构单元的尺寸相同，所述第一结构单元的上平板厚度、下平板厚度、矩形凸起的尺寸、第一缝隙宽度、第二缝隙宽度分别与所述第二结构单元的上平板厚度、下平板厚度、矩形凸起的尺寸、第一缝隙宽度、第二缝隙的宽度对应相同。

结合第一方面，本发明实施里提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中：

所述第一结构单元与所述第二结构单元的垂直于所述第一缝隙的截面长度为l，所述第一结构单元与所述第二结构单元的总厚度、上平板厚度、下平板厚度、第一缝隙的宽度与第二缝隙的宽度以及矩形凸起的尺寸均与所述长度l呈比例关系。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中：

所述第一结构单元与所述第二结构单元的垂直于所述第一缝隙的截面长度为l，所述第一结构单元的总厚度和所述第二结构单元的总厚度h均为：h＝6l/31，所述上平板与所述下平板的厚度h为：h＝5l/124；所述第一缝隙与所述第二缝隙的宽度w为：w＝l/31；所述矩形凸起的宽度a为：a＝2l/31，所述矩形凸起的高度b为b＝3l/31。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中：

所述两个矩形凸起之间间距p为：p＝5l/31。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中：

所述第一结构单元与所述第二结构单元的垂直于所述第一缝隙的截面长度为l，所述第一结构单元的总厚度h和所述第二结构单元的总厚度h均为：h＝2l/7；所述上平板的厚度h与所述下平板的厚度h为：h＝5l/84；所述第一缝隙与所述第二缝隙的宽度w为：w＝1l/21；所述矩形凸起的宽度a为：a＝2l/21，所述矩形凸起的高度b为b＝3l/21。

结合第一方面的第七种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中：

所述两个矩形凸起之间间距p为：p＝5l/21。

第二方面，本发明实施例提供了一种声波聚焦装置，包括上述任一可能的实现方式中所述的声学超表面，所述装置包括中心部分和外围部分，所述声学超表面的多个第二结构单元连接构成所述装置的中心部分，所述声学超表面的第一结构单元和第二结构单元间隔排列构成所述装置的外围部。

本发明实施例提供的一种声学超表面和声波聚焦装置，声学超表面由第一结构单元和第二结构单元组成，由于第一结构单元和第二结构单元的空腔和缝隙结构，使得第一结构单元与第二结构单元的入射声波的相位延迟差为180度，由该第一结构单元和第二结构单元组成的超表面能够对不同入射声波的相位进行调节，在不同的排布方式下，第一结构单元与第二结构单元对入射声波的反射相位随之不同，可以通过设置不同的排布方式实现进行对声波更有效的调控，比如声波的定向辐射，聚焦等等。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1a示出了本发明实施例一所提供的一种声学超表面的结构示意图；

图1b示出了本发明实施例一所提供的一种声学超表面的第一结构单元的结构示意图；

图1c示出了本发明实施例一所提供的一种声学超表面的第二结构单元的结构示意图；

图2a示出了本发明实施例一所提供的第一结构单元和第二结构单元对入射声波的透射率的关系示意图；

图2b示出了本发明实施例一所提供的第一结构单元和第二结构单元对入射声波的相位差的示意图；

图2c示出了本发明实施例一所提供的第一结构单元与第二结构单元的速度场vy分布图；

图2d示出了本发明实施例一所提供的第一结构单元与第二结构单元的速度场vx分布图；

图2e示出了本发明实施例一所提供的四空腔式结构的第一缝隙与第二缝隙的位置示意图；

图2f示出了本发明实施例一所提供的六空腔式结构的第一缝隙与第二缝隙的位置示意图；

图2g示出了本发明实施例一所提供的四空腔式结构的第一结构单元与第二结构单元对入射声波的透射率的关系示意图；

图2h示出了本发明实施例一所提供的四空腔式结构的第一结构单元与第二结构单元的入射声波的相位的关系示意图；

图3a示出了本发明实施例一所提供的一种第一结构单元与第二结构单元的不同排布方式产生的效应示意图；

图3b示出了本发明实施例一所提供的另一种第一结构单元与第二结构单元的不同排布方式产生的效应示意图；

图3c示出了本发明实施例一所提供的另一种第一结构单元与第二结构单元的不同排布方式产生的效应示意图；

图4示出了本发明实施例二所提供的一种声波聚焦装置的结构示意图；

附图标记：10-第一缝隙；20-上平板；30-矩形凸起；40-下平板；50-第二缝隙；60-第一结构单元；70-第二结构单元；80-第一侧壁；90-第二侧壁。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，声学超表面越来越多的被应用到声学器件的制造领域中，声学超表面是一种有着某种特殊的声学性质、不同于普通材料的实体，现有的声学超表面的结构组成单元无法做到使入射声波的相位延迟差的变化保持一致，进而不能够更加有效、灵活的进行对声波的调控；基于此，本发明实施例提供了一种声学超表面和声波聚焦装置。

下面通过具体实施例进行对本发明的详细介绍；

实施例一

参照图1a所示的实施例，本实施例中提供了一种声学超表面，该声学超表面包括：多个第一结构单元60和多个第二结构单元70，该多个第一结构单元与该多个第二结构单元相互连接，可以进行任意排列，位于同一个平面上，进一步的该第一结构单元与第一结构单元之间、第一结构单元与第二结构单元之间相互连接或者第二结构单元与第二结构单元之相互连接，所述的连接方式可以是粘接，该第一结构单元60与第二结构单元70的出射声波的相位延迟差为180度；

参照图1b和图1c所示，第一结构单元60和第二结构单元70分别包括：上平板20、下平板40、第一侧壁80和第二侧壁90，第一侧壁80位于第一结构单元和第二结构单元的左侧，第二侧壁90位于第一结构单元和第二结构单元的右侧，第一结构单元和第二结构单元通过第一侧壁和第二侧壁连接成为一体式结构，上平板的下表面上均匀设置有多个矩形凸起30；相邻的两个矩形凸起之间形成空腔；

上平板上的两个相邻的矩形凸起的中间位置设置有第一缝隙10，下平板上40对应于两个相邻的矩形凸起之间设置有第二缝隙50；

第一结构单元60的第一缝隙10与第二缝隙50之间间隔有一个矩形凸起30；

第二结构单元70的第一缝隙10与第二缝隙50之间间隔有三个矩形凸起30；

第二缝隙为声波入射缝隙，第一缝隙为声波出射缝隙；上述第一结构单元与上述第二结构单元能够使出射声波的相位延迟差保持为180度。

本实施例中，第一结构单元和第二结构单元的上平板上均匀设置有五个矩形凸起，相邻矩形凸起之间形成空腔，使得第一结构单元和第二结构单元为六空腔式结构，参照图1b所示，第一结构单元60的第一缝隙10可以是设置于从左侧起第三个矩形凸起与第四个矩形凸起之间的上平板上，第一结构单元60的第二缝隙50位于对应于从左侧起的第二矩形凸起与第三矩形凸起之间的下平板40上，该第一缝隙与第二缝隙之间相隔了一个矩形凸起。

进一步的，参照图1c所示，上述第二结构单元70的第一缝隙10位于上平板从左侧起第三个矩形凸起与第四个矩形凸起之间，第二结构单元70的第二缝隙50位于下平板上对应于第一矩形凸起的左侧。

上述第一结构单元与第二结构单元的第一缝隙的位置相同，上述第一结构单元的第二缝隙与第二结构单元的第二缝隙的位置不同，第一结构单元与第二结构单元在进行排列时使第一结构单元的第一缝隙与第二结构单元的第一缝隙位于一条直线上；本实施例中，第一结构单元和第二结构单元具有相似的内部结构，使得第一结构单元内部与第二机构单元内部包含有同一种共振模式，同时设置使所述第一结构单元与所述第二结构单元采用具有相同折射率的材料，使第一结构单元与所述第二结构单元对入射声波具有相同的透射率，进而使得第一结构单元与第二结构单元的透射波具有一致的振幅，并且第一结构单元的第二缝隙与第二结构单元的第二缝隙位于下平板的不同位置，当入射声波进入第二缝隙时具有相同的相位，当从第一缝隙处出射时会有不同的相位，第一结构单元和第二结构单元使入射声波的相位发生延迟，并且第一结构单元和第二结构单元使入射声波出射时的相位延迟差为180度，克服了传统超材料在带宽下相位差变化不一致和振幅不一致的的缺点，进而本发明实施例中所提供的声学超表面相对于传统超材料更具有实用性。

需要说明的是，上述仅为举例说明，第一结构单元与第二结构单元的上平板上第一缝隙的位置不限于上述一种设置方式，相应的，第二缝隙的位置也不是固定的，当上平板上设置有五个矩形凸起时，第一结构单元和第二机构单元均为六空腔式结构，第一结构单元的第一缝隙和第二缝隙的位置只需要满足使二者之间间隔有一个矩形凸起，第二结构单元的第一缝隙和第二缝隙只需要满足使二者之间间隔有三个矩形凸起；具有六空腔结构的第一结构单元和第二结构单元的有益效果为：具有更一致的透射峰和相位差。

为使上述的超表面所达到的性能更为稳定和更方便于对声波的调控，设置使上述第一结构单元与上述第二结构单元的尺寸相同，第一结构单元的上平板厚度与第二结构单元的上平板厚度相同，上述第一结构单元的下平板厚度与第二结构单元的下平板厚度相同，上述第一结构单元的矩形凸起的尺寸与第二结构单元的矩形凸起的尺寸相同，上述第一结构单元的第一缝隙宽度与第二结构单元的第一缝隙宽度相同，上述第一结构单元的第二缝隙宽度与第二结构单元的第二缝隙的宽度相同；第一结构单元与第二结构单元首尾相连形成整个声学超表面；

进一步的，第一结构单元与第二结构单元的垂直于第一缝隙和第二缝隙的截面的长度为l，第一结构单元总厚度、上平板厚度、下平板厚度、第一缝隙的宽度与第二缝隙的宽度以及矩形凸起的尺寸均与该长度l呈比例关系，相应的，第二结构单元的总厚度、上平板厚度、下平板厚度、第一缝隙的宽度与第二缝隙的宽度以及矩形凸起的尺寸也与上述长度l呈比例关系。

作为优选的，上述第一结构单元的总厚度h和第二结构单元的总厚度h均为：h＝6l/31，上平板的厚度h与下平板的厚度h为：h＝5l/124；

上述第一缝隙与第二缝隙的宽度w为：w＝l/31；

进一步的，上述矩形凸起的宽度a为：a＝2l/31，矩形凸起的高度b为b＝3l/31；

进一步的，两个矩形凸起之间间距(或者是两个相邻的矩形凸起之间所形成的凹槽的宽度)p为：p＝5l/31。

优选地，设置使第一结构单元与第二结构单元的垂直于第一缝隙的截面的长度l为：l＝6.2厘米，此时对应的工作频率为4453hz，位于人耳所听到的频率，可用于语言声学、音乐声学、房间声学与噪声控制。

参照图2a、图2b所示的实施例，第一结构单元与第二结构单元在整个工作频率范围内的透射声波的透射振幅一致，而相位差保持为180度；振幅结果显示了一个位于波长为1.23l时的透射峰，尽管在远离该透射峰的地方透射率较小，但相位差仍然能在保持为180度。因此，第一结构单元和第二结构单元组成的声学超表面，克服了传统超材料在带宽下相位差变化和振幅不一致的缺点，这使它更为实用。

相位差变化不一致会影响透射声波在不同频率下的方向性，比如在共振峰处声波沿某个主方向传播，而在偏离共振峰处声波方向发生偏离。因此本发明实施例所提供的声学超表面尤其适用于声学天线制造中。

参照图2c和2d所示的第一结构单元与第二机构单元内部的速度场vy与vx分布情况，第一结构单元和第二结构单元依靠各自结构内部邻近空腔间局域模式的激发，第一结构单元中声波在第一缝隙(出射缝隙)与在第二缝隙(入射缝隙)的相位相反，而第二结构单元中声波在第一缝隙(出射缝隙)与在第二缝隙(入射缝隙)的相位相同；在上平板的矩形凸起和下平板之间有非常强的横向质量振动，证明了共振的存在；局域共振是由双空腔共振结构产生的，经过双空腔共振结构的相位延迟必然是180度。这里我们用狭缝加空腔的结构来使声波与局域共振模式耦合。在第一结构单元中，两个狭缝加空腔的结构直接连通，而在第二结构单元中，中间多加了一个双空腔共振结构，因此，第一结构单元与第二结构单元之间的相位延迟差为180度。

在不同的第一结构单元与第二结构单元的组合模式下，声学超表面的透射相位随之不同，不同的透射相位相互干涉，可以形成不同的透射波，进而在具体使用时可以通过不同的超表面实现不同的功能，比如声波的定向辐射，聚焦等等，最典型的应用为高强度的聚焦超声波可以用于医学手术中。

当一束声波从超表面的下面垂直入射时，第一结构单元与第二结构单元的不同组合阵列具有不同功能，举例来说，参照图3a所示，当声学超表面阵列全部由第一结构或者全部由第二结构单元构成时，主要的透射波将会沿着入射方向传播。参照图3b所示，当声学超表面阵列由第一结构单元和第二结构单元在一维方向上间隔排列时，入射波就被散射为两个的对称的波束。参照图3c所示，当声学超表面阵列由第一结构单元和第二结构单元在二维方向上如棋盘状间隔排列时，入射波就被散射为四个对称的波束。排布越无序时，波束的方向就越多。分束效应使超表面能够在声学天线中应用，使声波沿数个特定方向传播。

在某一具体实施例中，上述声学超表面的第一结构单元和第二结构单元的上平板上均匀设置有三个矩形凸起，此时第一结构单元与第二结构单元均为四空腔式结构，进一步的，第一结构单元的第一缝隙可以是位于上平板第一矩形凸起的左侧，相对应的第一结构单元的第二缝隙位于下平板上对应于第一个矩形凸起和第二个矩形凸起之间，第二结构单元的第一缝隙位于第一平板上第一矩形凸起的左侧，相对应的第二结构单元的第二缝隙位于下平板上对应于第三矩形凸起的右侧；第一结构单元与第二结构单元为四空腔式结构的有益效果为：具有更小的结构横向尺寸，可以实现更高的集成度，提高对声波调控的精度；

进一步的，对于四空腔式结构，为使性能更稳定和便于对声波的调控，设置使上述第一结构单元与第二结构单元的垂直于第一缝隙的截面长度为l，第一结构单元的总厚度h和第二结构单元的总厚度h均为：h＝2l/7；上平板的厚度h与所述下平板的厚度h为：h＝5l/84；第一缝隙与第二缝隙的宽度w为：w＝1l/21；矩形凸起的宽度a为：a＝2l/21，矩形凸起的高度b为b＝3l/21；两个矩形凸起之间间距p为：p＝5l/21。

图2g和图2h示出了四空腔式结构的第一结构单元和第二结构单元对入射声波的透射率的关系，和第一结构单元和第二结构单元的出射声波的相位差的关系，其中0代表第一结构单元对应的曲线，1代表第二结构单元对应的曲线；需要说明的是，该实施例中第一结构单元与第二结构单元的第一缝隙的位置不是固定的，相应的，第二缝隙的位置也不是固定的，上述仅为举例说明，不应当看作是对本发明的限制；

参照图2e、图2f所示，图2e中示出了第一结构单元与第二结构单元为四空腔式结构时，第一结构单元和第二结构单元的可以设置第一缝隙的位置a1、a2、a3、a4，以及可以设置第二缝隙的位置b1、b2、b3、b4；图2f中示出了第一结构单元与第二结构单元为六空腔式结构时，第一结构单元和第二结构单元的可以设置第一缝隙的位置a1、a2、a3、a4、a5、a6，以及可以设置第二缝隙的的位置b1、b2、b3、b4、b5、b6，在四空腔式和六空腔式结构下，第一结构单元的第一缝隙与第二缝隙的位置关系以及第二结构单元的第一缝隙与第二缝隙的可能的位置关系如下表1所示：

表1

表1中，a1b2代表了第一结构单元中第一缝隙的位置为a1处，第二缝隙的位置为b2处；依次类推。

需要说明的是，上述发明实施例中所提供的声学超表面的第一结构单元和第二结构单元的组成材料的声阻抗应大于其背景介质的声阻抗的200倍，如果背景介质为空气，空气的密度和声速分别为1.2kg/m³和343m/s，则上述第一结构单元和第二结构单元的组成材料可以是塑料、金属或者合金中的任意一种。

实施例二

本实施例中提供了一种声波聚焦装置，该声波聚焦装置包括上述实施例中所述的声学超表面，该装置包括中心部分和外围部分，上述声学超表面的多个第二结构单元连接构成该装置的中心部分，上述声学超表面的第一结构单元和第二结构单元间隔排列构成该装置的外围部分；

参照图4所示，上述声波聚焦装置为一波带片结构，在波带片的横向切面或者说是沿x轴方向看，由5个第二结构单元构成中心部分，在y轴方向均为第二结构单元，其外围部分为第一结构单元和第二结构单元交替排列，在y轴方向均为第一结构单元或者第二结构单元；实验表明，在波带数为5的声波聚焦装置上已经可以展示出非常好的聚焦效果，特别是在焦平面上有良好的表现，其半峰宽为4.6cm。其中，在中心部分的右侧的第一结构单元与第二结构单元的第二缝隙位于第一缝隙的右侧，且第一结构单元与第二结构单元之间具有一定间隔，进一步的，参照图4所示，间隔为d1＝1.8cm，d4＝0.8cm，d2＝d5＝2.5cm，d3＝d6＝0.9cm，此时焦距xc为50cm。

本发明实施例中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。