用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置

1.本实用新型属于声学领域，具体涉及一种用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置。


背景技术：

2.超声聚焦具有良好的组织穿透性和生物相容性，可以在较深层的生物组织中传播，具有无损、安全、便携等优势，被广泛应用在生物医学检测、成像及治疗中。近年来，随着超声人工材料的发展，设计以实现多样化超声聚焦为目标的新型超声聚焦器件已成为国内外研究的一个热点。传统的超声聚焦方法主要包括球面自聚焦、声学透镜聚焦和主动有源相控阵聚焦。但是，球面自聚焦方法利用几何球面曲线实现聚焦，制造难度大，难以实现宽带聚焦；声学透镜聚焦方法利用声波的折射性质通过改变声束传播路径实现聚焦，但结构复杂、鲁棒性差；主动有源相控阵聚焦方法需要大量的换能器和复杂的电路系统，维护成本高。此外，常规的超声聚焦方法受到传统自然材料属性的限制，难以实现对超声波的自由及任意操控，这在很大程度上限制了超声聚焦的分辨率和在实际应用中的灵活性。


技术实现要素：

3.本实用新型是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供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。
4.本实用新型提供了一种用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置，具有这样的特征，包括：底部基座，为圆盘结构；以及多个凸起单元，连接在底部基座的同一个侧面上，并且沿底部基座的径向依次排布，其中，凸起单元的纵截面为三角形，凸起单元具有底面、第一斜面以及第二斜面，底面与底部基座相连接，第一斜面比第二斜面更靠近底部基座的中心轴线，所有的底面中最靠近中心轴线的底面为圆形，其余的底面为圆环形，所有的底面同轴。
5.在本实用新型提供的用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一斜面与第二斜面垂直。
6.在本实用新型提供的用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一斜面与底面的夹角为α，
[0007][0008]
上式中f表示用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置到焦点的距离，预定焦点位于中心轴线上，x表示凸起单元到中心轴线的距离。
[0009]
在本实用新型提供的用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一斜面和第二斜面的交点，与底面之间的距离为h，h＝0.5λ0，λ0为参考波
长，底面的外径和内径之差为d，
[0010]
在本实用新型提供的用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，底部基座的厚度为l，l＝2λ0。
[0011]
在本实用新型提供的用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，所有的凸起单元沿底部基座的径向依次连接。
[0012]
在本实用新型提供的用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，底部基座与所有的凸起单元一体成型。
[0013]
在本实用新型提供的用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置为不锈钢超表面装置。
[0014]
实用新型的作用与效果
[0015]
根据本实用新型所涉及的用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置，包括底部基座和多个凸起单元，底部基座为圆盘结构，多个凸起单元连接在底部基座的同一个侧面上，并且沿底部基座的径向依次排布，凸起单元的纵截面为三角形，凸起单元具有底面，所有的底面中最靠近中心轴线的底面为圆形，其余的底面为圆环形，所有的底面同轴。在具体使用时，将该装置置于水中，并使入射超声波垂直向下传播至该装置，该装置能够对入射声波形成集中反射，使得反射声波会聚于同一点，从而达到显著的三维聚焦效果。
[0016]
此外，该装置结构紧凑、设计简单、制作成本低，不需要任何的电路调控手段，仅靠自身的结构特性就可以实现上述功能。该装置具有聚焦分辨率高、有效频率范围宽、焦距可调节等优点，在医学超声检测、超声成像、超声治疗等领域具有非常重要的应用价值，为多功能紧凑型声学聚焦元器件的设计提供了新思路。
附图说明
[0017]
图1是本实用新型的实施例中用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置的使用原理示意图；
[0018]
图2是本实用新型的实施例中用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置的立体结构示意图；
[0019]
图3是本实用新型的实施例中用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置的俯视图；
[0020]
图4是本实用新型的实施例中用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置的侧剖视图；
[0021]
图5是图4中a部分的放大示意图；
[0022]
图6是本实用新型的实施例中用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置在入射超声频率为1mhz时焦点区域的归一化声强分布的三维剖面图；
[0023]
图7是本实用新型的实施例中用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置在入射超声频率为1mhz时焦点的径向归一化声强曲线；
[0024]
图8是本实用新型的实施例中用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置在入射超声频率为1mhz时焦点的轴向归一化声强曲线；
[0025]
图9是本实用新型的实施例中用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置在入射超
声频率为0.5
‑
1.4mhz范围内的焦距分布曲线。
具体实施方式
[0026]
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本实用新型用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置作具体阐述。
[0027]
<实施例>
[0028]
图1是本实用新型的实施例中用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置的使用原理示意图。
[0029]
如图1所示，本实施例中的用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置100用于在水下对超声波进行聚焦。当垂直向下传播的超声波入射至用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置100时，该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，从而达到三维聚焦的效果。图1中实线箭头指示入射超声波的传播方向，虚线箭头指示反射超声波的传播方向，反射声波的聚焦区域为焦点。
[0030]
图2是本实用新型的实施例中用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置的立体结构示意图；图3是本实用新型的实施例中用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置的俯视图；图4是本实用新型的实施例中用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置的侧剖视图；图5是图4中a部分的放大示意图。
[0031]
如图2
‑
5所示，本实施例中的用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置100包括底部基座10和多个凸起单元20。
[0032]
底部基座10为圆盘结构，具有两个平整的侧面。
[0033]
多个凸起单元20均连接在底部基座10的同一个侧面上，并且沿底部基座10的径向依次排布。所有的凸起单元20沿底部基座10的径向依次连接。每个凸起单元20均包括底面21、第一斜面22以及第二斜面23。
[0034]
如图4、5所示，凸起单元20的纵截面为直角三角形。底面21为平面并且整个底面21与底部基座20相连接。第一斜面22比第二斜面23更靠近底部基座10的中心轴线。第一斜面22与第二斜面23垂直。
[0035]
所有的底面21中最靠近底部基座10的中心轴线的底面21为圆形，其余的底面21均为圆环形。所有的底面21同轴，并且其轴线与底部基座10的中心轴线重合。即，凸起单元20为环绕底部基座10的中心轴线设置的闭合结构。
[0036]
第一斜面22与底面21的夹角为α，α的大小可根据实际应用中装置100与焦点之间的距离以及凸起单元20到中心轴线的距离进行调节，具体地
[0037][0038]
上式中f表示用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置100到焦点的距离，焦点位于底部基座10的中心轴线上，x表示凸起单元20到底部基座10的中心轴线的距离。其中，所谓的“焦点”是指聚焦能量最集中的区域，即声强最大的区域，在三维空间中常表现为一个椭圆的球体。焦距是设计结构前的预设值。
[0039]
第一斜面22和第二斜面23的交点，与底面21之间的距离为h，h＝0.5λ0；底部基座
10的厚度为l，l＝2λ0；底面21的外径和内径之差为d，其中，λ0为参考波长，其为根据指定(设定)的入射频率所确定的值，具体地，式中c为水的声速(为1500m/s)，f为指定(设定)的入射频率(即本实施例中的1mhz)。本实施例中，用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置100是针对入射频率1mhz所设计的，即f为1mhz，相应的λ0＝1.5mm。在实际应用时，指定(设定)的入射频率还可以为1mhz以外的其它入射频率。
[0040]
在本实施例中，焦距f＝46mm，底部基座10的半径为48mm，凸起单元20的个数为14个。在实际使用时，焦点的位置、底部基座10的半径以及凸起单元20的个数都可以依据实际需要进行调整。
[0041]
底部基座10与所有的凸起单元20一体成型，即整个用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置100一体成型。用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置100既为轴对称结构，又为中心对称结构。整个用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置100的材料均为超声人工材料，并且为声阻抗大于水的声阻抗20倍的材料，例如不锈钢等。
[0042]
在使用时，用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置100的凸起单元20朝向入射的超声波。
[0043]
图6是本实用新型的实施例中用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置在入射超声频率为1mhz时焦点区域的归一化声强分布的三维剖面图。
[0044]
如图6所示，我们开展了具体的实验来验证所设计用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置100(以下简称装置100)的聚焦效果，实验中入射超声波的频率为1mhz，背景介质设定为水，水的密度和声速分别为1000kg/m3和1500m/s；用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置100的材料为不锈钢，密度为7850kg/m3，声速为5740m/s。装置100的参考波长λ0＝1.5mm。用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置100的圆心位置为坐标原点。我们可以从三维剖面图中清楚地看出，焦点呈现椭球形，焦点与装置100平面的距离即焦距在仿真中为46.75mm，实验中为47.025mm，二者相对误差仅为0.59％，聚焦精准。
[0045]
图7是本实用新型的实施例中用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置在入射超声频率为1mhz时焦点的径向归一化声强曲线；图8是本实用新型的实施例中用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置在入射超声频率为1mhz时焦点的轴向归一化声强曲线。
[0046]
如图7、8所示，入射超声频率为1mhz时焦点的径向(x方向)与轴向(z方向)归一化声强曲线中，圆点表示实验结果，线条表示仿真结果。实验和仿真之间具有良好的一致性，这验证了所设计的装置100能够有效实现入射超声波为1mhz情况下的水下三维聚焦。聚焦分辨率是评价超声聚焦效果优劣的关键性指标，常用半高全宽来衡量。半高全宽定义为声强峰值一半处的峰宽度，半高全宽越小代表聚焦分辨率越高、聚焦效果越好。从图7、8中可得，仿真的径向半高全宽为0.63个波长，轴向半高全宽为2.75个波长；实验的径向半高全宽为0.89个波长，轴向半高全宽为3.54个波长，优于现有超声聚焦手段，本实用新型达到了显著的聚焦效果，且聚焦分辨率高，超声能量衰减小、损耗低，聚焦性能优秀。
[0047]
图9是本实用新型的实施例中用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置在入射超声频率为0.5
‑
1.4mhz范围内的焦距分布曲线。
[0048]
如图9所示，当在0.5
‑
1.4mhz范围内改变入射超声波的频率时，所设计的装置100仍然具有很好的聚焦效果，这证明了水下三维超声聚焦的宽带特点，其带宽约有1.5个倍频程。实验结果与仿真结果高度匹配，聚焦位置精确。同时，我们可以明显注意到，焦距会随着入射声波频率的变化而变化，并呈现近似线性增长的趋势，焦距可以在18.5
‑
71mm内进行调节，其可控范围达到52.5mm。这表明所设计的装置100具有有效频率范围宽和焦距可调节的特点，这对三维水下聚焦具有重要的实用价值。
[0049]
实施例的作用与效果
[0050]
根据本实施例所涉及的用于实现水下宽带超声聚焦的超表面装置，因为包括底部基座和多个凸起单元，底部基座为圆盘结构，多个凸起单元连接在底部基座的同一个侧面上，并且沿底部基座的径向依次排布，凸起单元的纵截面为三角形，凸起单元具有底面，所有的底面中最靠近中心轴线的底面为圆形，其余的底面为圆环形，所有的底面同轴。在具体使用时，将该装置置于水中，并使入射超声波垂直向下传播至该装置，该装置能够对入射声波形成集中反射，使得反射声波会聚于同一点，从而达到显著的三维聚焦效果。
[0051]
此外，该装置结构紧凑、设计简单、制作成本低，不需要任何的电路调控手段，仅靠自身的结构特性就可以实现上述功能。
[0052]
进一步地，该聚焦装置在入射超声波频率为1mhz时，焦距为46.75mm，径向半高全宽为0.63个波长，轴向半高全宽为2.75个波长，优于现有聚焦手段；在入射超声波频率为0.5
‑
1.4mhz范围内时都能实现三维聚焦，聚焦频带宽，约1.5个倍频程，并且其焦距随着频率变化呈现近似线性增长的趋势，可以在18.5
‑
71mm内进行调节，其可控范围达到52.5mm。该装置具有聚焦分辨率高、有效频率范围宽、焦距可调节等优点，在医学超声检测、超声成像、超声治疗等领域具有非常重要的应用价值，为多功能紧凑型声学元件的设计提供了新思路。
[0053]
上述实施方式为本实用新型的优选案例，并不用来限制本实用新型的保护范围。