一种基于图案化裁剪技术调控声波的方法与流程
本发明属于声波调控技术领域，更具体地，涉及一种基于图案化裁剪技术调控声波的方法。
背景技术：
对声波的调控对于噪声隔离与吸收、声通讯、声隐身、声成像、声能武器等有着重要的意义。现有的文献中，对声波进行调控以实现上述种种功能的方法有波导空腔的堆叠和金属板的刻蚀等。
通过设计波导空腔的结构来改变透射声相位，在垂直于入射方向的平面内设计不同位置有不同的相位改变就可以用来调控声场的分布。另外通过一系列赫姆霍兹共鸣器可以实现亚波长成像。而通过把金属板刻蚀(或者切割)成特定图案也可以对声场分布进行调控。厚的金属板作为硬边界将声音反射回去，而被刻蚀掉的部分作为子声源对透射声场做出贡献，从而调控声波。这些都是无源器件且属于平面型的调节装置。例如，现有技术分别利用波导空腔的堆叠和金属板的刻蚀的方法来对声波进行调控，以实现声聚焦和声学旋涡等。
以上两种方式都需要厚的钢板作为波导或者硬边界来隔离声波，使得整个装置笨重庞大，也不易加工，成本也较高，限制了其应用范围。并且堆叠相位单元的方法由于其体积不能忽略，其具体效果的精度有限。而金属板刻蚀的方法由于只有刻蚀的部分是透射的，设计上的自由度也比较有限。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有声波调控需要厚的钢板作为波导或者硬边界来隔离声波，使得整个装置笨重庞大，也不易加工，成本也较高，限制了其应用范围。并且堆叠相位单元的方法由于其体积不能忽略，其具体效果的精度有限等技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于图案化裁剪技术调控声波的方法，包括：
确定相位调控薄膜，所述相位调控薄膜能够将其透射的声波的相位改变180度；对所述相位调控薄膜进行裁剪，使得经过裁剪后的相位调控薄膜透射后的声波场分布发生改变，通过控制裁剪图案可以使透射后的声波平面聚焦于焦点或者空间聚焦于焦点、产生稳定传播的声涡旋或形成超振荡现象，从而产生亚波长的焦斑。
可选地，通过控制裁剪的尺寸，使经过裁剪区域后的声波与其相邻的经过非裁剪区域透射后的声波到达焦点的波程差为声波波长的一半，使得经过裁剪后的相位调控薄膜透射后的声波平面聚焦于焦点或者空间聚焦于焦点。
可选地，将所述相位调控薄膜裁剪成费马螺线图案，使得经过所述裁剪的相位调控薄膜透射后的声波产生稳定传播的声涡旋。
可选地，将所述相位调控薄膜裁剪成潘洛斯晶格的准周期图案，使得经过所述裁剪的相位调控薄膜后的声波形成超振荡现象，从而产生亚波长的焦斑。
可选地，当经过裁剪后的相位调控薄膜透射后的声波平面聚焦于焦点时，对所述相位调控薄膜裁剪包括：
将所述相位调控薄膜裁剪成对称分布的条形结构，到对称中心的第n条线相距对称中心的宽度ln满足：
其中，fc为设计的焦距，λ为声波波长，n为所述条形结构一侧的总线条数。
可选地，当经过裁剪后的相位调控薄膜透射后的声波空间聚焦于焦点时，对所述相位调控薄膜裁剪包括：
将所述相位调控薄膜裁剪成对称分布的环形结构，第n条环线的环半径rn满足：
其中，fc为设计的焦距，λ为声波波长，n为所述环形结构的总环线数。
可选地，所述费马螺线图案包括两条螺线，两条螺线的表达式分别满足：
其中，m为线性系数，r1和r2分别为两条螺线的极径，θ1和θ2分别为两条螺线的极角。
可选地，通过选取合适的m以使得不同波长的声波经过裁剪的相位调控薄膜透射后都能产生稳定的声涡旋。
可选地，当m＝9.1时，11毫米-17毫米的声波经过裁剪的相位调控薄膜透射后都能产生稳定的声涡旋。
可选地，所述潘洛斯晶格的准周期图案由两种菱形拼成，所述两种菱形的锐角分别为36度和72度，所述两种菱形拼成类似于五边形的准周期图案铺满所述相位调控薄膜平面，裁剪出的圆孔位于两种菱形的顶点上。
可选地，确定相位调控薄膜，包括：将任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒和任意模量小于颗粒的高分子材料或者软材料溶液均匀混合得到混合溶液；将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，得到带颗粒的静电纺丝纤维，进而由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜，所述静电纺丝薄膜即为所述相位调控薄膜。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明通过将薄膜裁剪成条形或者环形图案可以实现对透射薄膜后的声波高效的声学聚焦，可以用于医疗超声波碎石，声学定位加热，声学武器等需要精确控制高能量集中的声学应用场合。
2、本发明通过薄膜裁剪成费马螺线图案，能够使透射后的声波产生稳定的声涡旋，声涡旋能够在透射场的一定距离内稳定传播，并且涡旋中心强度为0。本发明可以实现多功能且自定义地对声波进行调控，基于这个发明的薄膜材料得到的声涡旋可以用于噪声隔离，声通讯，粒子操控等方面，因此本发明提供的薄膜及通过控制裁剪图案得到声涡旋的方法具有广阔的应用前景。
3、本发明通过将薄膜裁剪成潘洛斯晶格的准周期图案，实现了远场的声波亚波长分辨，所得到亚波长焦斑半高全宽约为0.25倍波长。意味着在长度分辨率提高一倍，而从整个面积上看，成像精度极限可以为常规手段的4倍，在一个方向上，成像所用波长减少一半，成像精度提高一倍，即对于薄膜平面来说是两个方向上使用亚波长成像其精度都提高一倍，故成像精度提高为原来的4倍。
4、尺寸缩小。比起之前任意同类功能的设计，本发明利用了初相位相差180度的两部分区域共同作用，能使器件面积在x,y两个方向都减少一半，所以能使薄膜总面积减少3/4(z方向为入射波方向，xy与z方向垂直)。
5、能量利用率更高。本发明是基于全透射结构，利用了整个平面的能量，有着更高的能量利用率。并且本发明是无源器件，在能耗、体积、便携性上都有很大优势。
附图说明
图1为本发明提供的基于图案化裁剪技术调控声波的方法流程示意图；
图2为本发明提供的透射积分场计算示意图；
图3为本发明提供的条形结构聚焦图案裁剪示意图；
图4为本发明提供的声波聚焦路径示意图；
图5为本发明提供的条形结构仿真透射场图(xz平面)；
图6为本发明提供的条形结构实验测试透射场图(xz平面)；
图7为本发明提供的环形结构聚焦图案裁剪示意图；
图8为本发明提供的环形结构仿真透射场图(xy平面)；
图9为本发明提供的环形结构仿真透射场图(yz平面)；
图10为本发明提供的焦点能量增强倍数随条纹数和环数n增加而变化的仿真关系图；
图11为本发明所采用的费马螺线图案示意图；
图12为本发明形成的声波涡旋的示意图；
图13为本发明提供的具体生成的涡旋场的仿真和实验测试相位图；
图14为本发明具体生成的涡旋场的仿真和实验测试强度图；
图15为本发明具体生成的涡旋场随距离变化的仿真相位图；
图16为本发明具体生成的涡旋场随距离变化的仿真强度图；
图17为本发明提供的将相位调控薄膜裁剪成潘洛斯晶格的准周期图案示意图；
图18为本发明提供的潘洛斯晶格结构仿真透射场图(xz平面)；
图19为本发明提供的潘洛斯晶格结构仿真透射场中心细节图和相应的实验测试图(xz平面)；
图20为图19场中心截线上的强度分布图；
图21为本发明提供的具体生成的声场分布随距离变化的仿真强度图；
图22为本发明提供的焦斑强度和半高全宽随距离变化的关系图；
图23是本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:8时，按照本发明方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；
图24是本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:4时，按照本发明方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；
图25是本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:2时，按照本发明方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；
图26是本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:1时，按照本发明方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；
图27为本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:8时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图；
图28为本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:4时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图；
图29为本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:2时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图；
图30为本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:1时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明基于能够将透射相位改变180度的薄膜和特定图案化设计规律以实现声波调控。利用激光切割或者其他切割手段将薄膜切成设计好的图案，可以实现对透射裁剪后薄膜不同效果的声场调控。在这种柔性薄膜上的剪切十分方便，并且整体器件也很轻便，成本较低，利于大规模生产制作。这种方式也是无源的，在能耗和便携性上具有优势。
图1为本发明提供的基于图案化裁剪技术调控声波的方法流程示意图，如图1所示，包括步骤s101至步骤s102。
s101，确定相位调控薄膜，该相位调控薄膜能够将其透射的声波的相位改变180度。
s102，对所述相位调控薄膜进行裁剪，使得经过裁剪后的相位调控薄膜透射后的声波场分布发生改变，通过控制裁剪图案可以使透射后的声波平面聚焦于焦点或者空间聚焦于焦点、产生稳定传播的声涡旋或形成超振荡现象，从而产生亚波长的焦斑。
具体地，当平面声波正入射到切割后的薄膜表面时，根据瑞利-索末菲衍射公式可计算出相应的透射场分布。透射场的形成具体由图2所示：图2中a，b图分别是在直角坐标系和柱坐标系下讨论的情况，两种情况类似，这里主要以直角坐标系介绍。xoy所在的平面表示子声源面，而点s所在的平面即为我们所关注的任意一个平行于声源面的目标透射平面，p表示声压。目标平面的任意一点的声压(包含声压的振幅和相位)是声源面上所有源点发出的子声波在目标点处叠加的结果。由瑞利-索末菲衍射积分公式，可以得到目标面上一点的声压表示为(无薄膜的部分对透射场的贡献)：
其中，
而针对有薄膜的部分，由于薄膜对入射声波有180度的相位改变，相当于这部分的初相位增加了180度，所以表现在公式中则为：
其中，ω2表示有薄膜部分的积分区间。
柱坐标系下，类似的有：
其中，
可选地，当经过裁剪后的相位调控薄膜透射后的声波平面聚焦于焦点时，对相位调控薄膜裁剪包括：
将相位调控薄膜裁剪成对称分布的条形结构，如图2所示，到对称中心的第n条线相距对称中心的宽度ln满足：
其中，fc为设计的焦距，λ为声波波长，n为条形结构一侧的总线条数。
如图2中所示，按照本发明的实施方式，主体由待切割薄膜1和切割方式2组成。将薄膜按照图2的方法进行切割。进一步地，针对条形结构，将透射场具体的积分区间代入公式，经过简化我们可以得到透射后的声压分布如下表达式：
图4为本发明提供的声波聚焦路径示意图，由图4所示，图中黑色部分(未裁剪部分)代表初相位为180度，空白部分(被裁减部分)代表初相位为0。根据相位相长的原则，两个相邻源点到焦点的波程差应该为波长的一半，即
条形图案的宽度ln已在图中标出，n表示到中心的第几条线，fc是设计的焦距，λ为对应需要调控的声波波长。由于l0＝0，我们就可以得到
具体的，n的最大值n越大，聚焦强度越强，相应的整个图像面积也越大，图2中设计的n以6为例进行说明。fc是设计的焦距，可以根据需求指定，那么ln也会相应发生变化。
图5和图6分别是具体聚焦效果的仿真和实验测试效果图，平面声波正入射到图案化的器件表面，入射到器件阴影部分(未裁剪部分)的声波发生180度的相位改变，入射到空白部分(被裁减部分)的不发生相位改变。平面内的每一点作为子声源相互干涉叠加，最后在设计的焦点处聚集。从图5和图6的强度分布我们可以看到在正中间有一个明显的亮斑，这就是所设计的焦点，因此说明实验和仿真效果吻合得很好。
结合图5和图6可知，将相位调控薄膜裁剪成条形结构后，透射后的声波将平面聚焦于焦点，说明了利用本发明提供的基于薄膜的裁剪方法可以使得声波平面聚焦。
可选地，当经过裁剪后的相位调控薄膜透射后的声波空间聚焦于焦点时，对所述相位调控薄膜裁剪包括：
将所述相位调控薄膜裁剪成对称分布的环形结构，第n条环线的环半径rn满足：
其中，fc为设计的焦距，λ为声波波长，n为环形结构的总环线数。
图7是环形聚焦图案设计示意图，与条形结构原理类似，相应地，图7中1表示待切割薄膜，2表示切割方式，参考上述条形结构聚焦理论分析，在该环形结构中，第n环条的环半径rn满足
需要说明的是，由于本发明提供的条形结构和环形结构使声波聚焦的原理一致，则可通过相同的符号n指代条形结构的条线序号或者环形结构的环线序号，n指代条形结构的总条线数或者环线结构的总环线数。
图8和图9相应环形结构的聚焦效果仿真图，图8为xy截面强度分布，图9为xz面强度分布。可以看到能量绝大部分都集中在中心焦点处，并且在xy，xz两个平面上都有聚焦。
结合图8和图9可知，将相位调控薄膜裁剪成环形结构后，透射后的声波将空间聚焦于焦点，说明了利用本发明提供的基于薄膜的裁剪方法可以使得声波空间聚焦。
图10是仿真的焦点中心能量增强倍数(用db表示)，图10中的图例表明三角形和方形分别表示裁剪图案为条形和环形结构的情况，由图10可见焦点中心的能量随条纹数量(或者环条的数量)增加而增强。它们的规律是类似的，能量增强倍数都与条纹数量成正相关，只是环形结构的增强倍数更大。
本发明通过对能够将透射相位改变180度薄膜裁剪成特定图案，以实现对声波的被动调控。例如将薄膜切割成条形图案(图3)，可以用来对垂直于条纹方向声波聚焦。如果将薄膜切割成环形图案(图7)，可以用来对垂直于声传播方向的平面内聚焦，相应的焦点强度也会更强。
可选地，可将相位调控薄膜裁剪成费马螺线图案，使得经过所述裁剪的相位调控薄膜透射后的声波产生稳定传播的声涡旋。
具体地，如图11所示，按照本发明的实施方式，主体由待切割薄膜1和切割方式2组成。将薄膜按照图11的图案进行切割得到费马螺线图案，根据相位叠加是中心叠加场相位从0到360度剧烈变化的原则，选用了费马螺线图案。费马螺线图案包括两条螺线，两条螺线的表达式分别满足：
其中，上述公式为极坐标表示方法，m为线性系数，决定了图案的大小，这个参数可以根据需要调节的波长进行更改，以适应波长。r1和r2分别为两条螺线的极径，θ1和θ2分别为两条螺线的极角。
可选地，当m＝9.1时，11毫米-17毫米的声波经过裁剪的相位调控薄膜透射后都能产生稳定的声涡旋。m为其它值时也会有类似的效果，m主要影响整个图案的大小，以及相应调控的波长。调控波长与图案螺纹间距通常在一个量级。
由图12所示，图中斜线阴影部分(未裁剪部分)代表初相位为180度，空白部分(被裁剪部分)代表初相位为0。具体地，入射阴影部分的声波发生180度的相位改变，入射到空白部分的不发生相位改变。平面内的每一点作为子声源相互干涉叠加，最后在透射场形成稳定传播的涡旋。
具体地，参照图2给出的透射场声压计算公式，本申请的费马螺线图案，将积分区间代入，可以得到透射后的声波目标面上点的声压为：
其中，r表示费马螺线图案的最大半径(如图2或图3所示图案的最大半径)，pf代表被裁剪部分对声压的贡献。在一个示例中，r可以被设置为5厘米。
图13为具体生成的涡旋场的仿真和实验测试相位图，所展示的平面为xy平面，平面声波正入射到图案化的器件表面，入射到器件阴影部分(未裁剪部分)的声波发生180度的相位改变，入射到空白部分(被裁减部分)的不发生相位改变。平面内的每一点作为子声源相互干涉叠加，最后在器件之后形成涡旋。从图13的相位场我们可以看到整个平面相位分布在中心处是从-180度到180度变化的，且实验结果和仿真结果吻合较好。
图14为具体生成的涡旋场的仿真和实验测试强度图，所展示的平面为xy平面，平面声波正入射到图案化的器件表面，入射到器件阴影部分(未裁剪部分)的声波发生180度的相位改变，入射到空白部分(被裁减部分)的不发生相位改变。平面内的每一点作为子声源相互干涉叠加，最后在器件之后形成涡旋。从图14的强度场我们可以看到整个平面中心处强度极弱，几乎为0，侧面证明了相位奇异点的存在，相位奇异点即指中心这样相位剧烈变化的点，在这样点处，场强是不存在的。同时，这样的强度分布场可用于粒子旋转、操控等方面。
图15为具体生成的涡旋场随距离变化的仿真相位图，所展示的平面为xy平面，分别仿真了4个距离z下的情况，在这些距离下都形成了完美的涡旋，整个平面相位分布在中心处是从-180度到180度变化的。从图15的相位场我们可以看到随着距离z的增加，整个相位场开始逆时针旋转(极小距离下，涡旋尚不稳定)，证明了这样的一个涡旋场，同时，说明在一定距离范围内，透射过裁剪图案的声波均可生成声涡旋。
图16为具体生成的涡旋场随距离变化的仿真强度图，所展示的平面为xy平面，分别仿真了4个距离z下的情况，在这些距离下都形成了完美的涡旋。从图15的相位场我们可以看到随着距离z的增加，整个强度场几乎保持不变(极小距离下，涡旋尚不稳定)，并且中心场强都为0，证明了透射后的声波在一定距离范围内均形成这样的一个涡旋场。
由图13-图16可知，基于本发明提供的薄膜和剪裁技术可形成稳定声涡旋，并且在透射一定距离内均可形成声涡旋，适用范围更广；并且得到的声涡旋强度效率高，损失小。这样的声涡旋具体可用于噪声隔离，声通讯，粒子操控等方面。
可选地，将相位调控薄膜裁剪成潘洛斯晶格的准周期图案，使得经过所述裁剪的相位调控薄膜后的声波形成超振荡现象，从而产生亚波长的焦斑。
其中，瑞利极限的长度为0.5倍波长(以半高全宽为基准)，也就意味着现有技术能分辨的最小长度为0.5倍波长。而亚波长分辨的目标就是要产生一个半高全宽低于瑞利极限长度的焦斑。
可选地，潘洛斯晶格的准周期图案由两种菱形拼成，两种菱形的锐角分别为36度和72度，所述两种菱形拼成类似于五边形的准周期图案铺满所述相位调控薄膜平面，裁剪出的圆孔位于两种菱形的顶点上。
可选地，圆孔的半径根据图案的大小而定，使圆孔尽量大而互不干扰，圆孔孔径和圆孔平均间距与所调控的声波波长在一个数量级。
图17为本发明提供的将相位调控薄膜裁剪成潘洛斯晶格的准周期图案示意图。如图17所示，按照本发明的实施方式，主体由待切割薄膜1和切割方式2组成。将薄膜按照图17的方法进行切割，当平面声波正入射到切割后的薄膜表面时，根据瑞利-索末菲衍射公式可计算出相应的透射场分布。图17中阴影部分代表透射后的声波初相位为180度，空白部分代表声波初相位为0。
如图17所示，图中虚线勾勒出的图案为类似于潘洛斯晶格的准周期图案。图案由两种菱形(锐角分别为36度和72度)拼成，用这种类似于五边形的准周期图案铺满一个平面(具体大小根据周期而定)，切割出的圆孔就位于菱形的顶点上。圆孔的半径根据图案的大小而定，使圆孔尽量大而互不干扰。圆孔孔径和圆孔平均间距也与所调控波长在一个数量级。
在一个具体示例中，可设圆孔直径为4毫米，菱形边长为16毫米，调节的声波波长为11毫米-17毫米。
超振荡函数的一个简单例子如下所示：
f(x)＝∑ancos(2πnx)
公式表示一些不同空间频率分量的余弦函数的叠加，f(x)表示超振荡函数，x表示一个方向上的位置，an表示函数中第n项成分的强度，或者说对总函数的贡献。通过合适的选取an的值，可以使得最后叠加得到更加高频(振动更快)的分量。an的值对应每一部分的贡献，裁剪得到的薄膜图案上不同位置的点对目标焦斑的贡献由它们到焦斑的距离和方向决定，所以调节薄膜图案的分布就可以形成特定的an的分布。而潘洛斯晶格对透射场的衍射叠加正好满足类似的关系，可以叠加产生更加高频的分量。产生更加高频的分量就可以使得焦斑的最小半高全宽受限于这个高频的分量，从而使得焦斑的半高全宽小于以入射频率为基准的瑞利判据。
图18为具体生成的超振荡声场分布的仿真强度图，所展示的平面为xy平面，平面声波正入射到图案化的器件表面，入射到器件阴影部分(未裁剪部分)的声波发生180度的相位改变，入射到空白部分(被裁减部分)的不发生相位改变。平面内的每一点作为子声源相互干涉叠加，最后在器件之后形成涡旋。从图18的相位场我们可以看到整个平面形成了一个五轴对称的图案，并且在最中心处，有一处强度较弱的焦斑，此处正是所形成的超振荡亚波长焦斑。
图19为从图18截取出的中心部分的仿真强度图和相应区域的实验测试强度图。所展示的平面为xy平面，从此图我们可以看到实验结果与仿真吻合得很好，并且中心都有一处较弱的焦斑，即为超振荡亚波长焦斑，也就是说，透射后的声波平场的最中心处即为亚波长的焦斑。
进一步地，图20为从图18的仿真和实验分布中截取的两条通过圆心的强度分布图，从强度分布曲线上我们可以更清楚地看到在两个强度峰之间有一个小峰，而这个小峰正是代表了超振荡形成的焦斑。由图20可知，超振荡在透射区域中心形成的小峰的半高半宽的实验结果为：4.8mm，仿真结果为：3.5mm，说明通过本发明的裁剪图案得到的透射声波中心的焦斑的半高全宽都是小于瑞利判据(7.3mm，为所调控声波波长的一半)的，故形成了亚波长宽度的焦斑，用于亚波长声学扫描成像，能够极大提高成像分辨率。
图21为具体生成的声场分布随距离变化的仿真强度图，所展示的平面为xy平面，分别仿真了4个距离z(z1＝28mm，z2＝31mm,z3＝32mm，z4＝40mm。)下的情况，在这些距离下都形成了理想的超振荡现象。我们可以看到，随距离增加，中心焦斑强度先减弱后增强，而焦斑宽度也是先减少后增加，可见在一定范围内经过图17给出的裁剪后的相位调控薄膜的声波都有这样的超振荡现象，说明采用本发明提供的裁剪技术可以实现在远场大范围距离内的亚波长分辨，且会产生亚波长宽度的焦斑。
图22更明确地表示了焦斑强度和半高全宽随距离变化的关系，我们可以看到距离为24到40毫米之间都能形成亚波长的焦斑，焦斑的半高全宽都是小于瑞利判据的，即实现了远场大范围距离内亚波长超分辨。而相应的，焦斑最小的时候也是强度最小的时候，这也符合超振荡的原理，实际运用是需要相应提高声源的功率，以提高焦斑强度的大小。
本发明实现了远场的亚波长分辨，可以用于声学扫描成像。所得到亚波长焦斑半高全宽约为0.25倍波长。意味着在长度分辨率提高一倍，而从整个面积上看，成像精度极限可以为常规手段的4倍。
综上，本发明利用了初相位相差180度的两部分区域共同作用，能使薄膜面积减小。本发明基于全透射结构，利用了整个平面的能量，有着更高的能量利用率。并且本发明是无源器件，在能耗、体积、便携性上都有很大优势。
可选地，确定相位调控薄膜，包括：将任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒和任意模量小于颗粒的高分子材料或者软材料溶液均匀混合得到混合溶液；将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，得到带颗粒的静电纺丝纤维，进而由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜，所述静电纺丝薄膜即为所述相位调控薄膜。
本发明通过不同颗粒与不同高分子材料或者软材料溶液混合后得到的混合溶液，可以制备不同直径和分布的静电纺丝薄膜，由于薄膜中颗粒的振动，从而对不同频率范围声波有180度相位改变，其中，颗粒越多，响应频率越低频；薄膜越厚(小于1毫米的情况下)，响应频率也越低。
可选地，任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒为铜、铁、金、银、铂、钴、镍、铅及其对应的氧化物。
可选地，静电纺丝薄膜的面积与用于喷丝的注射器在垂直于喷丝方向的平面内的移动范围有关，移动范围越大，静电纺丝薄膜的面积越大。静电纺丝薄膜的厚度与纺丝时间有关，纺丝时间越长，静电纺丝薄膜的厚度越厚。静电纺丝纤维的直径与纺丝电压有关，纺丝电压越大，静电纺丝纤维的直径越小。静电纺丝薄膜中的颗粒数目与颗粒和高分子材料或者软材料溶液的质量比有关，所述质量比越大，所述静电纺丝薄膜中所含的颗粒数目越多。
以下结合具体实施例对本发明提供的相位调控薄膜进行详细介绍：
实施例1：
将直径0.5微米～1.5微米的铜颗粒和聚乙烯醇(型号：pva124)水溶液均匀混合，采用的聚乙烯醇水溶液的浓度为7％～12％，而铜颗粒和聚乙烯醇的质量比根据实际需求具体调节。
其中，在本发明实施例中的聚乙烯醇溶液的浓度也可以是其它溶解较稳定的浓度。
在本发明实施例中给出铜颗粒：聚乙烯醇是1:1，1:2，1:4，1:8四种情况。将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，可以得到直径0.5微米～1.5微米的带颗粒的静电纺丝纤维，由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜。
按照本发明配置的不同铜颗粒和聚乙烯醇质量比的混合液体，得到均匀混合的铜颗粒/聚乙烯醇混合液后，就可将此作为原料进行静电纺丝。在本发明实施例中，改变接收距离，纺丝电压，推注速度等参数可以得到不同直径和分布的静电纺丝薄膜。一定范围内，纺丝电压越大，纤维直径越小。推注的速度需要与喷丝的速度(主要是电场力和表面张力等平衡后丝的速度)相协调。推荐的纺丝条件为：环境温度25摄氏度，湿度30％～45％，纺丝电压9.7kv～11.7kv，推注速度0.02ml/s～0.03ml/s。制成的薄膜表面微观形貌扫描电镜图如图23至图26所示，静电纺丝膜制作时铜颗粒和聚乙烯醇的质量比分别为1:8，1:4，1:2，1:1。从图中可看出不同浓度比颗粒数目明显不同。图27到图30分别为上述比例的薄膜进行声波透射测试的结果。我们可以看到在相应的频率范围(如图27-图30所示灰色区域)它们都能够有180度的相位改变，并且保持了较高的透射率(大于80％)。而且随着颗粒占比的增加，频率范围逐渐向低频移动，因此这些薄膜覆盖了从3.8khz到24khz的频率范围。
实施例2：
将直径0.5微米～1.5微米的氧化铅颗粒和聚丙烯腈(pan)的二甲基甲酰胺(dmf)溶液(pan不溶于水，溶于有机溶剂如dmf等)均匀混合，采用的聚丙烯腈的dmf溶液浓度为8％～12％，而氧化铅颗粒和聚丙烯腈质量比根据实际需求具体调节。
其中，在本发明实施例中的聚丙烯腈溶液的浓度也可以是其它溶解较稳定的浓度。
在本发明实施例中给出氧化铅颗粒：聚丙烯腈是1:1，1:4，1:8，1:16四种情况。将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，可以得到直径0.5微米～1.5微米的带颗粒的静电纺丝纤维，由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜。
按照本发明配置的不同氧化铅颗粒和聚丙烯腈质量比的混合液体，得到均匀混合的氧化铅颗粒/聚丙烯腈混合液后，就可将此作为原料进行静电纺丝。在本发明实施例中，改变接收距离，纺丝电压，推注速度等参数可以得到不同直径和分布的静电纺丝薄膜。一定范围内，纺丝电压越大，纤维直径越小。推注的速度需要与喷丝的速度(主要是电场力和表面张力等平衡后丝的速度)相协调。推荐的纺丝条件为：环境温度25摄氏度，湿度30％～45％，纺丝电压8.7kv～10.7kv，推注速度0.03ml/s～0.04ml/s。
值得指出的是，实例2所用颗粒和软材料可以和实例1互相替换，如果需要最后的薄膜不溶于水，那么就使用不溶于水的聚合物如聚丙烯腈；如果需要薄膜具有磁性就使用磁性的颗粒如四氧化三铁等。
基于本发明的静电纺丝薄膜其厚度可控，纺丝时间越长，厚度越厚；稳定成膜的厚度最薄仅为20微米，为所调控波长1/650，远薄于当前水平(约1/250)，使其能应用在更多的场景。在本发明制备得到的静电纺丝薄膜上的剪切十分方便，并且整体器件也很轻便，成本较低，利于大规模生产制作。采用本发明的静电纺丝薄膜对声波相位进行调控的实现方式是无源的，在能耗和便携性上具有优势。
本发明基于静电纺丝技术制作了相位调控薄膜。由于薄膜中颗粒的振动，会引起声波透射相位发生180度的变化。薄膜的声响应频率主要决定于纺丝纤维与颗粒的密度、模量比，总颗粒占与纤维材料的质量比，和薄膜的厚度等。而这些参数都可以通过材料配比和纺丝参数进行调节。这种薄膜可大面积连续制造，进一步地，这种薄膜可以结合相应的切割技术进行剪切而制作成多功能的器件。在这种柔性薄膜上的剪切十分方便，并且整体器件也很轻便，成本较低，利于大规模生产制作。这种方式也是无源的，在能耗和便携性上具有优势。
可选地，能够将透射相位改变180度的薄膜可以使静电纺丝薄膜，也可以是其它任意能够改变透射相位的器件或者材料；未发生相位改变的部分是被切割(裁剪)掉的部分，也可以是任意能够不改变透射相位，使声波完全透过的材料。
可选地，切割的图案并不局限于图3、图7、图11以及图17所描述的四种方案，上述4种方案只是裁剪图案的代表，利用本发明给出的薄膜进行裁剪调控透射声波场分布的方法都属于本发明的保护范围内。
可选地，此种调控方法适用于流体介质，即不论是在空气中或者水中或者其他流体中的调控都是适用的。
可选地，除了对声波进行调控外，此种方法也完全适用于对光波或者电磁波的调控，只需要将薄膜替换成能改变光波透射相位的材料即可。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
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