声学模式转换的系统和方法与流程
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本公开涉及用于声辐射装置的模式转换结构。模式转换结构可以包括声学材料属性的体积分布，以在有限的频率范围内将输入声学模式转换为输出声学模式。
附图说明
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图1a图解了体积全息介质的示例，其示出了用于增强二维各向同性线源的方向性的折射率的体积分布的实部值。
图1b图解了全息解决方案的示例，其示出了用于增强二维各向同性线源的方向性的折射率的体积分布的虚部值。
图2a示出了被全息超颖材料包围的线源的场分布的示例(模式转换结构)，其具有近似于图1a和1b所示的分布的折射率的分布。
图2b示出了图2a中的线源的远场辐射图案的示例，所述线源由具有图1a和1b所示的折射率分布的模式转换结构包围。
图3示出了用于将二维点偶极天线的辐射图案转换为定向射束的折射率的体积分布的示例。
图4a示出了由模式转换结构包围的二维点偶极子源的场分布的示例，该模式转换结构的折射率分布近似于图3所示的分布。
图4b示出了图4a中的二维点偶极子源的远场辐射图案的示例，其由具有图3所示的折射率分布的模式转换结构所包围。
图5示出了通过优化图1a所示的解决方案而产生的优化的折射率的体积分布的示例。
图6a示出了由具有近似于图5所示的分布的折射率分布的模式转换结构包围的二维各向同性线源的场分布的示例。
图6b示出了图6a中的被具有图5所示的折射率分布的模式转换结构包围的二维各向同性线源的远场辐射图案的示例。
图7示出了通过优化图3所示的解决方案而生成的优化的折射率的体积分布的示例。
图8a示出了由模式转换结构包围的二维点偶极子源的场分布的示例，该模式转换结构具有近似于图7所示的分布的折射率分布。
图8b示出了图8a中的被具有图7所示的折射率分布的模式转换结构包围的二维点偶极子源的远场辐射图案的示例。
图9示出了将声辐射从第一模式转换为第二模式的声模式转换结构的示例。
图10a示出了利用优化的二元模式转换结构增强的圆形超声喇叭的声压强度图案的示例。
图10b示出了利用被配置为插入到超声喇叭中的以折射率的二元体积分布优化的模式转换结构的示例。
图10c示出了插入超声喇叭中的二元优化模式转换结构。
图11a示出了将声学材料属性的体积分布离散化为多个离散的声学材料属性的表示。
图11b示出了图11a的一部分的特写图。
图11c示出了圆柱形模式转换结构的可能实施方案的表示，其具有被分配离散的声学材料属性的单个的体素。
图12示出了模式转换结构的针对具有亚波长尺寸的体素的声学材料属性的有效分布的表示。
图13示出了第一波导内的被配置为将超声能量从第一模式转换为第二模式的模式转换结构的表示的一实施方案。
图14示出了超声能量的模拟实施方案，其中第一波导处于由模式转换结构转换成第二波导内的第二模式的第一模式。
具体实施方式
根据多种实施方案，本文描述了与模式转换结构有关的系统、装置和方法，该模式转换结构被配置为修改电磁辐射(emr)设备的场图案和/或声辐射(ar)的压力场。对于电磁辐射，可以生成具有折射率的体积分布的模式转换结构，该模式转换结构可以用于将电磁场从原始emr装置生成的第一模式转换为第二模式。对于声辐射，可以生成具有声学材料属性(例如与线性弹性张量和动态密度张量关联的属性)的体积分布的模式转换结构，该模式转换结构影响声波的折射率。声学模式转换结构可以将压力场从由ar设备生成的第一模式转换为第二模式。
本文描述的模式转换结构的一些实施方案同样适用于ar设备和emr设备。其他实施方案和描述可能更适合一种类型的辐射而不是另一种类型的辐射。例如，描述介电常数的分布或与介电常数有关的实施方案可能更适合于emr设备。另一方面，描述声学材料属性的分布的实施方案可能更适合于ar设备。然而，由于在许多情况下多种实施方案的元件和配置是可互换的，因此在此描述了两者。特别地，折射率的概念适用于emr和ar设备两者。使用折射率描述的数学基础包括波动方程、亥姆霍兹方程和射线近似法(射线声学、射线光学等)。在一些实施方案中，可以形成模式转换结构，该模式转换结构提供用于emr设备的第一目标模式转换和用于ar设备的第二目标模式转换。此外，基于本文描述的方法，ar设备的波长可以与emr设备的波长一致。
例如，第二模式可以在辐射近场中具有更窄的波束宽度、更高的方向增益、更低的远场旁瓣和/或更均匀的辐射轮廓。在一些实施方案中，模式转换结构可以修改压力场以补偿或消除辐射设备(emr或ar)的近场或远场中的再辐射、反射或折射物体的影响。
超声ar设备可以生成与扬声器、静电扬声器、压电换能器、mems换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器(emat)、电动扬声器和无源散热器的声近场分布相对应的超声辐射。模式转换结构可以在模式转换结构的输入侧上接收压力场图案，并在第二模式下在与输出声辐射相对应的输出侧上输出压力场模式。在第二模式下的输出声辐射可以对应于不同的声近场分布。
可以选择模式转换结构的折射率、介电常数或声学材料属性的分布，以在有限的频率范围内修改辐射设备的场或压力模式，并将辐射从第一模式转换为第二模式。
在emr模式转换结构的多种实施方案中，该模式转换结构可以理想化为具有介电常数的连续分布的渐变介电常数结构，使得整个结构的介电常数没有突变。给定有限的波长范围，对于给定的带宽，渐变介电常数的离散分段连续近似可以在电磁上等效。类似地，可以生成和/或使用渐变密度或其他渐变的声学材料属性结构来生成具有声学材料属性的体积分布的模式转换结构的离散的分段连续近似。
因此，在多个实施方案中，模式转换结构可以被划分为多个亚波长体素。即，模式转换结构可以在概念上被认为包括最大尺寸小于相关带宽内的波长的多个体素(三维像素)。例如，每个体素的最大尺寸可以小于预定频率范围内的波长(例如，最小波长)的一半。模式转换结构可以包含超颖材料，并且被称为全息超颖材料设备，其可用于针对特定频率范围修改emr或ar设备的近场和/或远场。
在一些实施方案中，体素可以是立方体、平行六面体、四面体、棱锥体、棱柱、各种规则的多面体或其他多面体。在一些实施方案中，体素可以具有一个或两个亚波长的维度，而其他维度大于波长。模式转换结构可以是平坦的或弯曲的，并且可以是脊状的或柔性的(或至少具有柔性部分)。模转换结构可以具有不均匀的厚度和/或可以填充空隙以利用非转换材料产生均匀的厚度。
在多种实施方案中，可以使用体素形状和/或尺寸的组合。此外，可以设置体素的形状和/或尺寸，以使得在体素之间几乎没有或没有空间、间隙或空隙。替代地，可以布置体素，使得存在不同尺寸和/或形状的间隙或空隙。在一些实施方案中，在计算体积声学材料属性时，可以忽略和/或忽视间隙或空隙。替代地，可以为间隙或空隙分配一个或多个声学材料属性，其对应于填充该间隙或空隙的真空或空气或另一种流体(液体或气体)。材料的实例包括浸渍液体、矿物油、合成油和聚合物油。材料的其他示例可能包括：一种或多种超颖材料(其具有不同声学材料属性)、非周期性光子晶体、复合材料、多孔材料、泡沫材料、层状复合材料、分层复合材料、纤维束材料、微棒材料、纳米棒材料。
由于温度和压力可能对声学材料属性具有影响，因此在一些实施方案中，可以为特定的温度和/或压力范围或组合对模式转换结构进行评级。在一些实施方案中，标准环境温度和压力(satp)可以作为25摄氏度和100kpa的压力使用。
在多个实施方案中，可以选择模式转换结构以包括一种或多种具有独特的声学材料属性的材料，以获得声学材料属性的目标体积分布。声学材料属性的示例包括但不限于线性弹性张量、动态密度张量、体积模量、弹性模量和密度。特定材料的声学材料属性可根据有限频率范围而变化，超声模式转换器被配置针对该有限频率范围运行。
在整个本公开中，关于离散化模式转换结构的讨论在多种实施方案中可能意味着不同的事情。例如，在一些实施方案中，模式转换结构的概念离散化可以被用于优化算法，而模式转换结构可以不被物理离散化。在一些实施方案中，模式转换结构的离散化可以是模式转换结构的物理离散化。物理离散化可用于简化制造(例如，用于模式转换结构的三维打印)。因此，应该在制造或优化的背景下，有时在两者的背景下，理解关于离散化、划分为体素等的暗示。在没有明确背景的情况下，讨论应解释为分别暗示制造和优化，以及暗示对于制造和优化两者都可能离散化。
制造的模式转换结构可以相对于辐射设备(emr或ar)定位，可以是可移动的，和/或可以被配置为现有天线系统的改型解决方案。可以基于所使用的辐射设备来调整模式转换结构的形状和尺寸。
在多种实施方案中，emr设备可以包括例如但不限于射频天线、光辐射发射器、和光辐射接收器、和/或电光emr设备，其被配置为在电流和光辐射之间转换，反之亦然。
在多种实施方案中，ar设备可以包括例如但不限于声换能器、声发射器、声接收器、超声换能器、次声换能器、可听声辐射设备、振动设备、声辐射装置和/或光辐射天线，其构造成在声振动和电流之间转换。
emr模式转换结构可以用于修改emr设备的场分布。ar模式转换结构可以用于修改emr设备的压力场分布。例如，模式转换结构可以用于修改低方向性天线的场或压力分布，以对应于较高方向性的窄波束宽度天线的场或压力分布。模式转换结构使得在不对辐射设备、辐射馈送或辐射设备的环境进行任何修改或至少不进行任何重大修改的情况下能修改辐射设备的光束图案。因此，本文公开的模式转换结构使得能对现有辐射设备进行改型修改。作为特定示例，模式转换结构可以改善通常具有在2、5、10、15或20+dbi之间的方向性的ar设备的方向性。
在其他实施方案中，声学模式转换结构可以被配置成使主瓣或旁瓣的远场波束宽度变窄，在某些位置创建最大压力场，或在某些位置创建零压力。模式转换结构可以被配置为具有声学材料属性的体积分布，以修改远场辐射图案，从而补偿位于ar设备的反应/菲涅耳或辐射/弗劳恩霍夫近场中的再辐射物体。
以下特定示例通常使用射频(rf)天线作为emr设备的示例。然而，应了解，本文描述的系统和方法的许多相同概念、实施方案和一般功能同样适用于其他频率范围的emr，包括适用于利用低频rf、微波、毫米波、太赫兹、远红外和中红外、近红外、可见光、紫外线、x射线、伽玛射线等的那些。应当理解，可以基于使用中的特定光谱来调节尺寸、折射率值、材料和其他变量。此外，应当理解，许多相同的概念可以应用于例如换能器而不是天线，并且可以应用于超声而不是电磁能。
许多天线(例如电小偶极子、单极子和环形天线)在其方向性方面从根本上受到限制。喇叭形天线可以具有更好的方向性，只要它们的尺寸不是明显的亚波长即可。无论如何，单馈天线一旦制成并安装、形状固定，通常会具有固定的辐射图案和一定的波束宽度，尽管它可能会随频率而变化。
另外，如上所述，可以将模式转换结构划分为多个亚波长体素，每个亚波长体素的最大尺寸小于特定频率范围的波长(例如，波长的四分之三、一半、三分之一、四分之一、十分之一)。如上所述，然后可以为每个体素分配多个介电常数(或声学材料属性)中的一种，以近似识别出的介电常数(或声学材料属性)的分布。模式转换结构可以用于自由空间传输和/或接收。替代地或附加地，可以在第一波导内、在两个波导之间、在波导和自由空间之间和/或在自由空间和波导之间利用模式转换来将声能或电磁能从第一模式转换为第二模式。
例如，声学材料属性的分布可以将波导内第一模式的声能转换为第二模式。作为另一示例，声学材料属性的分布可以被配置为将在第一波导内的声能从第一模式转换为第二模式，以通过一个或多个附加波导进行传输。
类似地，介电常数的分布可以将在波导内的电磁能从第一模式转换为第二模式。作为另一示例，介电结构可以被配置为将第一波导内的电磁能从第一模式转换为第二模式以通过一个或多个附加波导进行传输。
再次，在本文描述的每个实施方案中，实施方案、修改、改编、方程式、算法和/或其他变体可以适合于在自由空间应用中，发射天线中，接收天线中，波导中，两个不同波导之间，从传输线到自由空间，从第一传输线到第二传输线，在波导传输线到非波导传输线之间，从非波导传输线到波导传输，针对各种频率和带宽中的任何一种，和/或以上任何项的组合和排列中使用。
因此，其中辐射设备、天线和自由空间应用被用作模式转换设备的示例应用的实施方案同样适用于与波导和其他传输线有关的实施方案，即使本文没有明确说明也如此。
如上所述，模式转换结构可以用于转换固定辐射设备的近场和/或远场，而不必修改辐射设备、安装和/或周围环境。根据多种实施方案，全息解决方案可以用于确定可以为自由空间应用和波导/传输线应用等提供期望的场转换和模式转换的介电常数的体积分布。类似地，全息解决方案可以用于确定可以为自由空间应用和波导/传输线应用等提供期望的压力转换和模式转换的声学材料属性的体积分布。
例如，模式转换结构可以包括初级声折射率的体积分布。初级声折射率np可以对应于初级波或p-声音(p-sound)的速度。具体来说，np＝c0/cp，其中，c0是声音在环境流体中的速度，cp是p-声音在该介质中的速度。
在这样的实施方案中，可以使用下面的方程式1或其变型确定初级声折射率的体积分布：
在方程式1中，n2(x,y,z)表示x，y，z坐标系中的初级声折射率的体积分布。在本文描述的许多实施方案中，笛卡尔坐标系被用作默认示例；但是，各种坐标系中的任何一种都适用，各种坐标系包括圆柱坐标系、极坐标系、重心坐标系、三线性坐标系和其他坐标系。实际上，在一些实施方案中，替代坐标系可能是优选的，以简化计算和/或促进制造。例如，圆柱坐标系对于制造技术可能是有用的，在所述制造技术中，介电常数的体积分布对应于二维平面横截面围绕旋转轴的均匀旋转。
在方程式1中，β表示归一化常数，并且pin表示来自(1)ar设备的在模式转换结构的表面上的声辐射的相对于x，y，z坐标系的输入压力场分布，(2)在第一波导或第一波导部分(例如，声传输介质)内的辐射的相对于x，y，z坐标系的输入压力场分布，或(3)来自自由空间(例如空气)进入波导或其他传输介质的辐射的相对于x，y，z坐标系的输入压力场分布。应用于ar设备的方程式1的后续描述同样适用于波导、各种传输介质和自由空间(例如空气)应用。场pgoal表示来自模式转换结构的辐射的相对于x，y，z坐标系的“目标”或选定的、所期望的目标输出压力场分布。
可以通过在概念上将模式转换结构划分为多个体素来近似计算出的介电常数的分布。然后可以为每个体素分配声折射率。在一些实施方案中，可以为每个体素分配与针对该体素的体积的计算出的平均声折射率相对应的空间平均值。
在其中离散化是二元、三元或n元的实施方案中，可以为每个体素分配来自选择的n个离散的声折射率中的声折射率，其中n是一个大于1的整数(对于二元为2，对于三元为3，依此类推)。
作为具体示例，具有可在超声辐射的频率下区分的尺寸的区域可以包含多个体素。如果区域将具有平均0.486的声折射率，则这可以通过以下方式满足：在概念上将该区域划分为100个体素，并使用声折射率为0.9的第一材料填充这些体素中的31个，以及使用声折射率为0.3的第二材料填充其他69个体素。因此，该区域的平均声折射率将接近0.486。可以使用声折射率为任意数的任意数量的材料来进行类似的近似。在一些实施方案中，可以使用有效声折射率是大于1、小于1以及甚至小于0的频率相关的超颖材料。
在多种实施方案中，声折射率的体积分布在坐标系的一个空间维度中可以是基本上均匀的，使得模式转换结构的体积分布是有效二维的，即使其在物理上是三维物体也是如此。例如，体积分布可以对应于垂直于平面的平面二维分布的均匀挤压。
在多个实施方案中，声学模式转换装置可以包括一种或多种透明材料。各种可能的材料的示例包括但不限于透明无机玻璃、透明聚合物、玻璃聚合物、热塑性塑料、无机玻璃、掺杂的无机玻璃、纳米颗粒嵌入的玻璃、纳米颗粒嵌入的聚合物、具有不同的聚合数的聚合物等等。在一些实施方案中，模式转换结构可以采取功能性甚至结构性元件的形式。例如，透明模式转换结构可以用作汽车或建筑物的窗户。不透明模式转换结构可用作墙壁覆盖物、门、地板、镜子等。
如先前提到的，本文描述的模式转换结构的实施方案中的许多适用于ar设备和emr设备。当然，由于电磁学和声学的属性是不同的，因此方程式的不同变量和对方程式的修改可能是合适的。然而，关于声辐射描述的示例通常适用于电磁辐射，反之亦然。下表说明了声学和电磁学一些类比和相似性。下面的表1在“acousticmetamaterialdesignandapplications”byshuzhang,universityofillinoisaturbana-champaign,2010中找到，在此将其全文通过引用并入。
表1
图1a示出了显示使用以上用于电场的方程式1的以下修改版本的介电常数的体积分布100的实数值的全息解决方案的示例：
对于理想化的二维各向同性线源emr设备，计算出所示的介电常数的体积分布。具有介电常数的相应分布的模式转换结构(即，全息超颖材料)可以用作线源emr设备的覆盖物，以增加线源emr设备的方向性。
类似于图1a，可以使用上述方程式1确定声折射率的分布。可替代地，方程式1的修改版本可以用于确定具有变化的线性弹性张量、动态密度张量、体积模量、弹性模量和密度的材料的组合的体积分布。
图1b针对结合上文图1a描述的相同线源emr设备图解了介电常数的体积分布150的虚部值。
用于生成图1a和1b的“目的”或“目标”电磁场是具有无限方向性的平面波。该示例虽然理想化，但示出了一种用于生成模式转换结构的方法，所述模式转换结构用于通过emr设备生成的电磁场转换成具有改进的辐射属性的第二模式。在实践中，全息超颖材料结构域的有限孔径限制了可以达到的实际的方向性。为了实现孔径效应，另一种选择将是使用高斯光束，其腰部等于或小于全息超颖材料结构域的直径。
图2a示出了由全息超颖材料(模式转换结构)包围的线源emr设备的场分布200的示例，该全息超颖材料(模式转换结构)具有近似于图1a和图1b所示的分布(实部和虚部)的介电常数的分布。
图2b示出了线源emr设备的远场辐射图案250的示例，该线源emr设备被具有接近图1a和1b所示的分布(实部和虚部)的介电常数的分布的模式转换结构包围。
用于电场和介电常数值的方程式1.1可以用于识别在复数可变平面的所有四个象限中具有复数介电常数值的介电常数的分布，所述复数可变平面包括对应于活性增益介质的半平面和可能与无源的负介电常数介质相对应的象限。在这样的实施方案中，可以使用超颖材料来获得有源增益介电常数值和负介电常数值。例如，介电常数的分布可以被离散成亚波长的体素，每个体素均被分配有特定介电常数值。某些体素可以被分配可以用传统的低损耗电介质实现的介电常数值，而其他体素可以被分配可以用超颖材料实现的介电常数值(有源增益和负值)。
在某些情况下，使用低损耗电介质可能是所期望的，其中ε′≥1并且ε″＜＜1。这种材料可被称为非超光速低损耗电介质(nslld)。对于某些特定频段，某些材料只能视为nslld。因此，用于生成模式转换结构的材料可能高度取决于特定emr设备所利用的特定频率和带宽。
对于声学模式转换结构，方程式1的替代方程式可以用作：
n2(x，y，z)-l＝β|pgoal+pin|2/|pin|2方程式2
在以上方程式2中，n2(x,y,z)表示x，y，z坐标系中的声折射率的体积分布。同样，可以使用适合于计算声折射率的分布和/或用于绘制制造过程的任何坐标系。常数β表示非零归一化常数，场pin表示来自ar设备、在波导或其他传输介质内、和/或在波导与模式转换结构的表面上的自由空间之间的耦合上的声辐射的相对于x，y，z坐标系的输入压力场分布。场pgoal表示模式转换结构的声辐射的相对于x，y，z坐标系的“目的”或选定/期望/目标输出场分布。
可以使用优化算法来执行解决上面的方程式和/或本文描述的其他方程式，在该优化算法中，声折射率被视为可优化变量。声折射率的实部和/或虚部可以被视为独立可优化变量，或者可以选择复数值并将其用作可优化变量。可以使用各种各样的优化算法中的任何一种，包括使得能(1)为每个修改或成组的修改确定成本函数，(2)相对于可优化变量中的每一者制造基于偏导数的成本函数的梯度，以及(3)使用基于伴随解的灵敏度计算来计算灵敏度矢量的算法。
在一些实施方案中，可以使用约束优化算法，其中将声折射率视为约束为具有大于或大致等于n的实部以及大致等于m的虚部的优化变量，其中，n和m是实数。在其他实施方案中，可以使用猜测与检查法，其中初始猜测用来使用本文描述的任何一个方程式解决全息解决方案。具体优化算法的非穷举示例在下面更详细地描述。
图3返回到电磁辐射模式转换结构的示例，并且示出了用于将二维点偶极天线的辐射图案转换为定向波束的介电常数的体积分布300的示例。图3中所示的介电常数的分布可以使用上面的方程式2的电磁变化与设置为平面波的目标或目的输出场来找到：
εhol(x，y，z)-l＝β|egoal+ein|2/|ein|2方程式2.1
为了该计算的目的，考虑到所使用的超颖材料结构域的有限直径，平面波将与有限宽度的波束无法区分。
图4a示出了由模式转换结构包围的二维点偶极天线的场分布400的示例，该模式转换结构具有介电常数的与图3所示的分布近似的分布。
图4b示出了图4a中的由模式转换结构包围的二维点偶极天线的远场辐射图案450的示例，该模式转换结构具有图3所示的介电常数的分布。
上面的方程式1和2提供了适当的解以找到用于生成模式转换结构的声折射率的分布。但是，进一步优化可以提高模式转换的效率并补偿有限的超颖材料结构域。可以将超颖材料结构域在概念上划分为多个体素，其中每个体素大致小于一半的波长(例如，波长的十分之一)。每个体素可以在概念上用使用以上方程式1或2找到的连续声折射率的空间平均值填充。介电常数的这种离散分布可以用作优化算法中的初始猜测。优化算法可以将每个体素中的声折射率的实部值和虚部值视为独立的控制变量。可替代地，每个体素中的复数(或实数)值可以被视为独立值。
可以使用多种优化算法中的任何一种。例如，可以对控制变量中的一个进行较小的扰动，然后可以解决前向波传播问题以确定扰动的影响。这可以称为成本函数优化，其中成本函数是目标或目的场与优化变量的当前状态产生的场之间的差。被控制变量的较小扰动值除的目标的有限差可以称为成本函数偏导数的有限差分估计。在计算了关于所有控制变量的所有偏导数之后，组合矢量可以称为成本函数的“梯度”，也称为“灵敏度矢量”。
在其他实施方案中或作为在相同实施方案中的替代方案，可以使用基于描述正向问题的方程的解析导数的伴随方法。伴随方法可以在仅解决一个称为伴随问题的辅助问题之后用于产生整个灵敏度矢量，该伴随问题的计算复杂度与相同大小的一个正向问题的复杂度相同。在某些应用中，这可能会使每个优化步骤的计算量减少到n分之一，其中n是控制变量的数量。
一旦获得灵敏度矢量，就可以使用标准牛顿、阻尼牛顿、共轭梯度或任何其他基于梯度的迭代非线性求解器的迭代来确定下一个配置。
在一些实施方案中，优化算法可以使用试探法作为优化过程的一部分。这在控制变量不可微的实施方案中可能是有用的。在这些实施方案中，可能难以确定灵敏度矢量或分析导数的梯度。例如，在一些实施方案中，优化算法可以使用迭代启发式优化技术，诸如粒子群优化(pso)或遗传优化来确定最佳解决方案。
在一实施方案中，迭代启发式优化可以通过生成一系列可能的解决方案来开始。所述一系列可能的解决方案可能包含成千上万或难以计数的可能的最优解决方案。可以根据最优解决方案域的预定表示来生成每个可能的解决方案。在其他实施方案中，预定的解决方案可以随机生成。预定表示可以包括最优解决方案的属性(例如，传输模式、制造约束、声学材料属性、边界条件或优化变量)。
对于启发式优化过程的每次迭代，可以使用适应性函数来评估可能的解决方案。可以随机选择由适应性函数确定的“适应性更强”的解决方案，以继续进行下一次迭代。每次迭代都可能添加新的可能解决方案或删除适应性不太强的解决方案。另外，对于每个接连的迭代，可以以对确定最优解决方案有用的任何方式或方式的组合来修改、改变、突变、交换、更新或变更每个解决方案的属性。该算法可以迭代有限次数，或者可以迭代直至得到可接受的解决方案。
可以利用优化算法，直到满足预定的终止公差为止。可以在敏感度向量的某些范数上施加终止条件，在这种情况下，保证优化算法收敛。可以将终止条件作为不等式强加给成本函数的标量值，在这种情况下，算法可能无法满足强加的条件。在多种实施方案中，将终止条件应用于灵敏度矢量，并且将优化成本函数的最终值用作算法的输出而不是算法的输入，这可能是有用的。
对于要求成本函数的最终值低于某个公差的应用，可以用不同的初始猜测来重复未能产生这种结果的优化循环。方程式1和2中的每一个都定义了一系列初始猜测，每个猜测都可以用于启动不同的优化循环。这样的循环是完全独立的，可以使用分布式计算并行计算。
以电磁变化为例，图5示出了图1a所示的介电常数分布的实部的优化500，该优化500使用伴随灵敏度方法和共轭梯度非线性求解器。在所示的优化的介电常数分布中，来自图1a的离散值被用作初始猜测。优化算法收敛到图5所示的解决方案。
图6a示出了由模式转换结构包围的二维各向同性线源emr设备的场分布600的示例，该模式转换结构具有介电常数的与图5所示的优化分布近似的分布。
图6b示出了由模式转换结构包围的二维模式各向同性的线源emr设备的远场辐射图案650的示例，该模式转换结构具有图5所示的介电常数的最佳分布。图6a与图2a的比较以及图6b与图2b的比较示出了优化解决方案的模式转换效率的提高。
图7示出了使用伴随灵敏度方法和共轭梯度非线性求解器对图3所示的介电常数分布进行的优化700。在所示的优化的介电常数分布中，来自图3的离散值被用作初始猜测。优化算法收敛到图7所示的解决方案。
图8a示出了由模式转换结构包围的二维点偶极天线的场分布800的示例，该模式转换结构具有近似于图7所示的优化分布的介电常数分布。
图8b示出了图8a中的由模式转换结构包围的二维点偶极天线的远场辐射图案850的示例，该模式转换结构具有图7所示的最佳介电常数分布。图8a与图4a的比较以及图8b与图4b的比较示出了优化解决方案的模式转换效率的提高。
上述概念性体素被分配了离散的介电常数值；但是，独特值的总数是不受限的，因为每个值都可以是任何实数(或可能的复数)值。在一些实施方案中，限制独特值的总数可能是有用的。
因此，代替基于该区域上的连续分布的空间平均值εav给每个体素分配值，可以为每个体素分配两个值ε1或ε2中的一个作为二元示例。例如，可以为每个体素分配介电常数“1”或“x”，其中1表示真空，x表示大于1的介电常数。这样的二元离散化可以被认为类似于灰度成像，其中仅使用白色和黑色抖动。
将每个体素分配给ε1或ε2的布尔决策可以基于εav是高于还是低于阈值。类似的二元离散化方法可以用于声学实施方案，其中具有第一声学材料属性值的第一材料可以用作一种类型的体素，而具有不同声学材料属性值的第二材料可以用作另一种类型的体素。
该结果可以被认为是介电常数或声学材料属性的分段常数分布。只要每个体素的特征尺寸足够小(例如，亚波长)，对于emr或ar的给定的带宽，模式转换结构可以在电磁或声学上等效于连续分布。在多种实施方案中，介电常数或声学材料属性的分段常数分布本质上可以是二元、三元或四元的，或者换句话说，受限于独特介电常数值的特定数量。
因此，在一些实施方案中，方程式1和/或2可用于确定声学材料属性的连续分布。然后可以使用离散化的平均声学材料属性值(例如，声折射率)来采用优化算法。然后可以使用经优化的平均声学材料属性的离散化分布来制造模式转换结构。
在一些实施方案中，方程式1和/或2可用于确定声学材料属性的连续分布。然后可以使用离散化的平均声学材料属性来采用优化算法。然后，可以将离散化的平均声学材料属性离散化为n个值，以进行n元离散化(对于二元离散化，n为2；对于三元离散化，n为3，依此类推)。然后可以使用优化的n元声学材料属性的离散分布来制造模式转换结构。例如，n材料三维打印机可以用于在每个相应的体素中沉积具有n种声学材料属性中的一种的材料。
在优化算法中使用分段常数分布的实施方案中，可能希望保留使用实值控制变量的能力，同时仍然考虑被优化的结构的n元性质。代数转换可用于将实值控制变量映射到n元值介电常数。对于具有介电常数值ε1和ε2的二元分段常数分布的这种转换的示例如下：
ε(x，y，z)＝ε1+(ε2-ε1)θδ(l(x，y，z))转换1
在转换1中，l(x,y,z)是坐标的实值函数，其值以[-1；1]区间为界(称为水平集函数)，并且θδ(l)是平滑的赫维赛德(heaviside)函数，根据定义，对于l＜-δ，其等于零，对于l＞δ，其等于一，并且对于所有l，其与其一阶(或二阶)导数连续。平滑参数δ的值可以选择为0.1；但是，该值可以根据特定的应用不同地选择，以获得更准确的结果。
该转换使得为连续实值控制变量设计的优化算法可通过使用接近n元值作为对n元值的现实近似而用于n元离散化近似。
在已经执行优化之后，可以基于每个优化值是在一个或多个阈值之上还是之下来将这些值转换回离散n元值，其中阈值的数量等于n-1。
在优化算法中使用了声学材料属性的分段常数分布这样的声学实施方案中，可能再次需要保持使用实值控制变量的能力，同时仍然考虑被优化的结构的n元性质。类似的代数转换可用于将实值控制变量映射到n元值的声学材料属性。对于用于具有动态可压缩性b1和b2的二元分段常数分布的声折射率的这种转换的示例如下：
n2(x，y，z)＝b1+(b2-b1)θδ(l(x，y，z))转换1.1
在转换1.1中，l(x,y,z)再次是坐标的实值函数，其值以[-1；1]区间为界，并且θδ(l)是平滑的赫维赛德函数。在一些实施方案中，平滑参数δ的值可以选择为0.1。再次，该值可以根据特定的应用不同地选择，以获得更准确的结果。
图9示出了声学模式转换结构920的示例900，该声学模式转换结构920将输入声辐射910从第一模式转换并且在第二模式下输出声辐射930。
图10a示出了圆形喇叭1060的辐射强度图案1000的示例，其利用优化的二元模式转换结构1070(即，全息超颖材料)增强。
图10b示出了被配置为插入到喇叭1060中的模式转换结构1070的表示，该模式转换结构1070用介电常数或声学材料属性的二元体积分布进行了优化。介电常数的二元体积分布被示出为各种灰度图案以示出在任何给定区域上的平均值可能是被分配ε1或b1(显示为白色)和ε2或b2(显示为黑色)的体素的比率的一个因子。可以理解，对于三元或其他n元实施方案，可以使用附加的颜色来表示各种可能的离散化替代方案和近似值。
图10c示出了插入到喇叭1060中的二元优化模式转换结构1070。如图所示，模式转换结构1070可以被专门制造(即，可以施加体积边界)，使得其将总宽度限制为不大于喇叭1060的最大宽度。在所示的实施方案中，体积边界使得模式转换结构970能从喇叭突出少量。
上面的方程式描述了x，y，z坐标系。方程式1和2的许多可能的变型是可能的，并且可以与本文描述的离散化和优化技术结合使用。下面提供了可以使用的方程式1的变型：
在上面的方程式3中，n2hol表示在多种三维坐标系中的任何一种中的声学材料属性的体积分布。类似于方程式1，β表示归一化常数，并且pin表示模式转换波导结(自由空间或其他传输介质)上或来自设备的在模式转换结构表面上的相对于三维坐标系上的输入压力场分布。pgoal表示来自模式转换结构的相对于三维坐标系的所选择或期望的输出压力场分布。
在一些实施方案中，可以使用以下提供的方程式2的变型：
n2hol-1＝β|pgoal+pin|2/|pin|2方程式4
在上面的方程式4中，n2hol表示在多种三维坐标系中的任何一种中的介电常数的体积分布。类似于方程式1，β表示归一化常数，并且pin表示波导终端处的模式转换波导结上或来自ar设备的在模式转换结构表面上的相对于三维坐标系上的输入压力场分布。pgoal表示来自模式转换结构的相对于三维坐标系的所选择或期望的输出压力场分布。
在本文描述的任何实施方案中，低于最小阈值的n2hol的值可以被设置为预定的最小值。类似地，可以将大于最大阈值的n2hol的值设置为预定的最大值。在其他实施方案中，n2hol的多个离散值可以是可用的，并且可以通过下舍入到最接近的可用值、上舍入到最接近的可用值和/或被分配到最接近的匹配值为n2hol的每个计算值分配可用的离散值中的一个。
如前所述，方程式1和2的许多变型可用于找到全息解决方案并计算介电常数的体积分布。下面提供了此类方程式的另一个示例：
在以上方程式5中，n2(x,y,z)表示x，y，z坐标系中的介电常数的体积分布。α和β表示可选常数，并且pin表示来自ar设备的在模式转换结构表面上的相对于x，y，z坐标系的辐射的输入压力场分布。pgoal表示来自模式转换结构的相对于x，y，z坐标系的辐射的“目标”或选定/期望的输出压力场分布。
应当理解的是，在本文不进行详尽叙述的情况下，可以将本文所述的用于求解全息解决方案或方程式的任何变型、实施方案或方法与任何其他全息解决方案或方程式的变型、实施方案或方法结合使用。
在方程式5中，可以选择α的值以优化输入模式与模式转换介质之间的阻抗匹配。可以选择值α来优化模式转换介质和输出模式之间的阻抗匹配。可以选择值α来为保持n2hol的最小值，保持大于0的n2hol或保持大于1的n2hol。
如前所述，模式转换结构可以包括一种或多种具有针对特定频率范围的声学材料属性和/或介电常数的超颖材料。在一些实施方案中，物理上小的超颖材料可以聚结以产生具有特定声学材料属性的亚波长超颖材料聚结物。
在多种实施方案中，可以使用汞合金混合、材料层压、注射成型工艺、挤出、发泡、压缩成型、真空成型、吹塑成型、旋转成型、浇铸、旋转浇铸、旋涂浇铸、机械加工、层沉积、化学蚀刻和浸渍模塑中的一种或多种来制造具有计算出的折射率分布的模式转换结构。可以使用二氧化硅、聚合物、玻璃形成材料、超颖材料、瓷器、玻璃、塑料、空气、氮气、六氟化硫、聚对二甲苯、矿物油、陶瓷、纸、云母、聚乙烯、氧化铝和/或其他材料中的一种或多种来制造模式转换结构。声学模转换结构可包括对特定应用有用的各种金属和合金。
在多种实施方案中，初始步骤可以是为ar设备识别目标场图案。可以为模式转换结构识别维度约束。例如，可能希望模式转换结构与下伏的ar设备具有基本上相同的轮廓或形状。作为一个具体示例，可能期望将模式转换结构装配到喇叭的腔中，如以上结合图10a-10c所示和所述。在另一实施方案中，可能希望模式转换结构被配置为替换或补充现有的换能器。可以施加多种体积约束中的任何一种。可以将模式转换结构制造为容纳三维空间的已识别边界。
可以识别将与模式转换结构的表面相互作用的输入压力场分布。也就是说，可以在所识别的三维边界内的任意数量的点、平面或其他潜在表面处识别输入压力场，所生成的模式转换结构处于或可以放置在该三维边界内。
可以制造模式转换结构，该模式转换结构具有适合于所识别的三维体积内的物理尺寸和声学材料属性的体积分布，从而会将场转换为近似于目标压力场模式的第二模式。在一些实施方案中，进行计算、测量、识别和确定的实体可以与实际制造模式转换结构的实体不同。
例如，第一实体可以提供信息以帮助识别目标场图案、期望的模式转换结构的物理尺寸和/或输入场分布。第二实体可以使用所提供的该信息来识别实际目标场、输入场和尺寸约束，以用于计算。然后，第二实体可以识别(即，计算、估计和/或以其它方式确定)声学材料属性的体积分布。
声学材料属性的体积分布可以被传输到第一方或第三方以制造模式转换结构。替代地，第二方也可以制造模式转换结构。在其他实施方案中，单个方可以执行所有的识别、确定和制造步骤。简而言之，任意数量的实体可以执行有助于制造如本文所述的模式转换结构的任意数量的任务和子任务。
声学材料属性的分布可以是数学上连续的分布，可以在数学上/概念上划分成分段分布(例如，用于优化)，和/或可以物理上划分成分段分布(例如，用于制造)。即，可以将模式转换结构(概念上和/或实际上)划分为多个亚波长体素。对于特定频率范围，每个体素可以具有一个或多个维度，其中最大维度的直径小于一半波长。可以基于确定的分布为每个体素分配折射率(对于ar和/或emr设备)、介电常数(对于emr设备)或声学材料属性(对于ar设备)。一旦被制造，模式转换结构可以将辐射从第一模式转换为近似于目标或目的场图案的第二模式。
图11a示出了将声学材料属性的体积分布离散化为多个离散的声学材料属性的表示1100。在所示的实施方案中，每个框中的灰度模式可以各自表示n种离散的声学材料属性之一，例如声折射率，在这种情况下，出于说明目的，将体素显示为相对较大。替代地，灰度模式可以表示基础二元介电常数值的比率，在这种情况下，各个框可以表示数十、数百或什至数千个基础像素的平均区域。
即，可以将图11a视为代表离散化为29个独特值的声学材料属性的分布(参见图例1125)，其中在整个图像中有数百个体素。替代地，可以认为图例1125代表二元离散化中的29种可能的值的比率，其中图像中示出了几百个区域，其中每个区域包括多个其值已被平均的基础体素。
图11b示出了图11a所示的分布的各个离散体素的表示的特写视图1150。假设为二元离散化，则图11b中的每个正方形可以表示许多基础体素的平均值。
图11c示出了圆柱形模式转换结构1130的可能实施方案的表示，其为各个体素被分配了离散的声学材料属性值。
图12针对具有亚波长尺寸的体素图解了图11c的模式转换结构的声学材料属性的有效分布的表示。如图所示，如果每个体素的特征尺寸足够小，则声学材料属性的离散分布非常接近，并且对于ar设备的给定带宽而言，在功能上可以等效于声学材料属性的连续分布。但是，为了实现优化算法和/或为了有助于制造过程，可能有益的是将声学材料属性的分布离散化为包括n个离散值，其中n是根据所采用的制造技术、具有独特声学材料属性的可用材料的数量和/或此类材料的同质或异质性质进行选择的。
一种生成模式转换结构的方法包括使用三维打印机来沉积一种或多种具有独特声学材料属性的材料。如上所述，可以基于所计算的声学材料属性的分布为每个体素分配声学材料属性。三维打印机可以用于用与(可能等于或近似)所分配的声学材料属性对应的材料“填充”或“打印”体素。
使用多种材料的三维打印可以使得能打印各种折射率。在其他实施方案中，可以形成不打印任何材料的空间或空隙。所述空间或空隙可以填充有流体或真空，或者一种或多种环境流体可以进入所述空隙(例如，空气)。
在一些实施方案中，多材料三维打印机可以用于使用多种材料的混合物或组合来打印每个体素。多种材料的混合物或组合可以打印为均质或非均质混合物。在打印均质混合物的实施方案中，打印机分辨率可以近似等于体素尺寸。在打印非均质混合物的实施方案中，打印机分辨率可以比体素尺寸小得多，并且可以使用材料的组合来打印每个体素，所述材料的平均声学材料属性近似于为特定体素分配的声学材料属性。
在一些实施方案中，模式转换结构可以被划分为多个层。然后可以分别制造每个层，然后将它们结合在一起以形成完整的模式转换结构。在一些实施方案中，可以通过从具有第一声学材料属性值的固体平面材料层中的多个体素中去除材料来形成每一层。
然后，可以用具有一个或多个不同声学材料属性值的材料填充去除的体素。在一些实施方案中，模式转换结构可以是旋转对称的，使得其可以通过创建第一平面部分并使其围绕轴线旋转来制造。
如上所述，二元离散化可以导致多个体素，每个体素被分配两个可能的介电常数值中的一个。所选体素的分辨率和大小可以基于所使用频率范围的波长大小。
可以采用多种材料和制造方法中的任何一种。例如，可以至少部分地使用玻璃形成材料、聚合物、超颖材料、非周期性光子晶体、二氧化硅、复合超颖材料、多孔材料、泡沫材料、层状复合材料、分层复合材料、纤维束材料、微棒材料、纳米棒材料、非超腔低损耗介电材料、瓷器、玻璃、塑料、空气、氮气、铁、钢、铝、铜、其他金属、合金、六氟化硫、聚对二甲苯、矿物油、陶瓷、纸、云母、聚乙烯和氧化铝来制造模式转换结构。
可以通过将材料加热到高于玻璃化转变温度并挤出熔融形式的材料通过掩模来制造模式转换结构。该掩模可以是刚性掩模。可以使用任何其他制造方法或使用制造技术的组合，包括使用注射成型、化学蚀刻、化学沉积、加热、超声处理和/或本领域公知的其他制造技术。
在图13中，模式转换结构1375的所示灰度阴影仅用于说明目的，并且不对应于声学材料属性的有用分布，且不意在表示声学材料属性的实际或者甚至合理的分布。可以使用本文所述的各种算法、方法和方式来计算和/或优化声学材料属性的实际尺度和分布。
图13示出了第一波导或传输介质1310内的模式转换结构1375的一个实施方案1300，其被配置为将辐射从第一模式1350转换为第二模式1350'。可以说模式转换结构1375将第一介质与第一模式1350的辐射耦合以及将第二介质与第二模式1350'的辐射耦合。替代地，模式转换结构1375可以被描述为单个波导内的插入物或组件，或者被描述为分离两种介质。如图所示，在第一模式1350中的具有辐射的波导的第一部分(或第一波导或第一介质)与在第二模式1350'中的波导的第二部分(或第二波导或第二介质)可以具有不同的维度。
图14示出了第一模式1450中的超声的模拟实施方案1401。模式转换结构1475将超声从第一波导1410中的第一模式1450转换为第二波导1420中的第二模式1450'的超声。
许多现有的计算设备和基础设施可以与当前描述的系统和方法结合使用。可以与本文公开的实施方案一起使用的一些基础设施已经可用，例如通用计算机，计算机编程工具和技术，数字存储介质以及通信链路。计算设备或控制器可以包括处理器，例如微处理器、微控制器、逻辑电路等。处理器可包括专用处理设备，例如专用集成电路(asic)、可编程阵列逻辑(pal)、可编程逻辑阵列(pla)、可编程逻辑设备(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、或其他可定制和/或可编程的设备。该计算设备还可包括机器可读存储设备，例如非易失性存储器、静态ram、动态ram、rom、cd-rom、磁盘、磁带、磁存储器、光存储器、闪存或其他机器可读存储介质。某些实施方案的各个方面可以使用硬件、软件、固件或其组合来实现。
如本文的附图中总体上描述和示出的，所公开的实施方案的组件可以以多种不同的配置来布置和设计。此外，与一个实施方案相关联的特征、结构和操作可以适用于结合另一实施方案描述的特征、结构或操作或与之组合。在许多情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免使本公开的各方面不清楚。
在本公开内提供的系统和方法的实施方案并不意在限制本公开的范围，而仅表示可能的实施方案。另外，方法的步骤不必一定以任何特定的顺序执行，甚至不必顺序地执行，步骤也不必仅执行一次。如上所述，就发射器而言的描述和变型同样适用于接收器，反之亦然。
已经参考包括最佳模式的各种示例性实施方案做出了本公开。然而，本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本公开的范围的情况下对示例性实施方案进行改变和修改。尽管已经在多种实施方案中示出了本公开的原理，但是在不脱离本公开的原理和范围的情况下，可以对结构、布置、比例、元件、材料和部件的许多修改来适应特定的环境和/或操作要求。意在将这些和其他改变或修改方案包括在本公开的范围内。
在以下编号的条款中阐述了本文所述主题的各方面：
1.一种装置，其包括：
具有声学材料属性的体积分布的模式转换结构，该模式转换结构被配置为相对于声辐射(ar)设备定位，以在有限的频率范围内将所述ar设备的声场轮廓从输入模式修改为输出模式，
其中，所述模式转换结构划分为多个亚波长体素，
其中每个体素的最大尺寸小于所述有限频率范围内的频率的波长的一半，并且
其中，为每个体素分配多个声学材料属性中的一个，以近似于所述模式转换结构的所述声学材料属性的分布。
2.根据条款1所述的装置，其中，所述声学材料属性的体积分布包括材料属性的体积分布，所述材料属性的体积分布包括在选定坐标系中的线性弹性张量和动态密度张量的分量。
3.根据条款1所述的装置，其中，向每个体素分配声学材料属性，以修改所述声场轮廓，从而实现目标远场或近场辐射图案。
4.根据条款3所述的装置，其中，所述声学材料属性包括线性弹性张量和动态密度张量的分量的组合。
5.根据条款1所述的装置，其中，向每个体素分配声学材料属性，以修改所述声场轮廓，从而实现近场辐射图案。
6.根据条款5所述的装置，其中，所述声学材料属性包括线性弹性张量和动态密度张量的分量的组合。
7.根据条款1所述的装置，其中，通过由具有独特的体积模量的材料形成相应的体素子集中的每个体素，将多个独特的声学材料属性中的每一个分配给所述体素子集，使得基于形成所述体素的所述材料的所述独特的体积模量，所述体素子集中的每个体素都具有独特的声学材料属性。
8.根据条款1所述的装置，其中，通过由具有独特的弹性模量的材料形成相应的体素子集中的每个体素，将多个独特的声学材料属性中的每一个分配给所述体素子集，使得基于形成所述体素的所述材料的所述独特的弹性模量，所述体素子集中的每个体素都具有独特的声学材料属性。
9.根据条款1所述的装置，其中，通过由具有独特的密度的材料形成相应的体素子集中的每个体素，将多个独特的声学材料属性中的每一个分配给所述体素子集，使得基于形成所述体素的所述材料的所述独特的密度，所述体素子集中的每个体素都具有独特的声学材料属性。
10.根据条款1所述的装置，其中，通过由具有独特的声学属性的材料形成相应的体素子集中的每个体素，将多个独特的声学材料属性中的每一个分配给所述体素子集，使得基于形成所述体素的所述材料的所述独特的声学相关的质量，所述体素子集中的每个体素都具有独特的声学材料属性。
11.根据条款10所述的装置，其中所述材料的独特的声学特性包括以下至少两项：所述材料的密度、所述材料的弹性模量和所述材料的体积模量。
12.根据条款10所述的装置，其中所述材料的独特声学特性包括所述材料的密度、所述材料的弹性模量和所述材料的体积模量的组合。
13.根据条款1所述的装置，其中，所述ar设备包括声换能器。
14.根据条款13所述的装置，其中所述模式转换结构相对于所述声换能器定位。
15.根据条款1所述的装置，其中，所述ar设备包括声发射器。
16.根据条款1所述的装置，其中，所述ar设备包括声接收器。
17.根据条款1所述的装置，其中，所述ar设备包括超声换能器。
18.根据条款1所述的装置，其中，所述ar设备包括次声换能器。
19.根据条款1所述的装置，其中，所述ar设备包括可听声辐射设备。
20.根据条款1所述的装置，其中所述ar设备包含振动设备。
21.根据条款1所述的装置，其中，所述ar设备包括声辐射设备。
22.根据条款1所述的装置，其中所述ar设备包含光学辐射天线，所述光学辐射天线被配置为在声振动与电流之间转换。
23.根据条款1所述的装置，其中，所述第一模式包括与由以下之一生成的声学分布相对应的声学近场分布：电声换能器、扬声器、静电扬声器、压电换能器、mems换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器(emat)、电动扬声器、动态扬声器和无源辐射器。
24.根据条款23所述的装置，其中，所述第二模式包括与由以下之一生成的声近场分布：扬声器、静电扬声器、压电换能器、mems换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器(emat)、电动扬声器和无源辐射器。
25.根据条款1所述的装置，其中，所述体积分布在坐标系中的一个空间维度上近似均匀，使得所述模式转换结构的体积分布实际上是二维的。
26.根据条款25所述的装置，其中所述坐标系是笛卡尔坐标系，使得所述体积分布对应于垂直于其平面的平坦二维分布的均匀挤压。
27.根据条款25所述的装置，其中所述坐标系是圆柱形的，使得所述体积分布对应于二维平面横截面围绕选定的旋转轴线的均匀旋转。
28.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为定位在所述ar设备的声传输线的一端上。
29.根据条款28所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为从与沿着所述声传输线的声传输相关联的第一模式转换为作为自由空间声辐射模式的第二模式。
30.根据条款28所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为从与自由空间声辐射相关联的第一模式转换为用于沿着所述ar设备的声传输线进行声传输的第二模式。
31.根据条款1所述的装置，其中，所述声学材料属性的体积分布包括由具有第一声学特性的第一材料形成的第一体素子集和由具有与所述第一声学特性不同的第二声学特性的第二材料形成的第二体素子集。
32.根据条款31所述的装置，其中，所述第一材料的所述声学特性包括密度、弹性模量和体积模量中的一项或多项。
33.根据条款32所述的装置，其中，所述第一材料的声学特性包括弹性模量，并且所述第二材料的声学特性包括材料的密度和材料的体积模量中的一项或多项。
34.根据条款32所述的装置，其中所述第二材料的声学特性包含以下一项或多项：所述材料的密度、所述材料的弹性模量和所述材料的体积模量。
35.根据条款31所述的装置，其中，所述声学材料属性的体积分布还包括由具有第三声学特性的第三材料形成的第三体素子集。
36.根据条款31所述的装置，其中所述第一材料包括具有第一声学特性的光学透明材料，并且所述第二材料包括具有第二声学特性的光学透明材料。
37.根据条款36所述的装置，其中所述第一材料包括透明的无机玻璃，并且所述第二材料包括透明的聚合物。
38.根据条款37所述的装置，其中所述透明聚合物包括玻璃聚合物和热塑性塑料中的一种。
39.根据条款36所述的装置，其中所述第一材料包括无机玻璃，并且所述第二材料包括掺杂的无机玻璃。
40.根据条款36所述的装置，其中所述第一材料包括玻璃，并且其中所述第二材料包括嵌入了纳米粒子的玻璃。
41.根据条款36所述的装置，其中所述第一材料包括聚合物，并且其中所述第二材料包括嵌入了纳米粒子的聚合物。
42.根据条款36所述的装置，其中所述第一材料包括具有第一聚合数的第一聚合物，并且其中所述第二材料包括具有第二聚合数的第二聚合物。
43.根据条款36所述的装置，其中包含所述第一材料和第二材料的模式转换结构用于形成光学透明窗的至少一部分。
44.根据条款36所述的装置，其中包含所述第一材料和第二材料的模式转换结构用于形成光学透明车窗的至少一部分。
45.根据条款36所述的装置，其中包含所述第一材料和第二材料的模式转换结构用于形成一种结构中的光学透明窗的至少一部分。
46.根据条款36所述的装置，其中，包含所述第一材料和第二材料的模式转换结构用于形成镜的至少一部分。
47.根据条款31所述的装置，其中所述第一材料包括具有所述第一声学特性的光学透明材料。
48.根据条款47所述的装置，其中所述第一材料包括浸没液体。
49.根据条款48所述的装置，其中所述浸没液体包括矿物油、合成油和聚合物油中的至少一种。
50.根据条款1所述的装置，其中，在标准环境温度压力(satp)下，所述声学材料属性的体积分布包括由具有第一声学特性的第一固体材料形成的第一体素子集和由具有不同于第一声学特性的第二声学特性的第二液体材料形成的第二体素子集。
51.根据条款50所述的装置，其中所述模式转换结构的外层包含所述第一固体材料以防止所述第二液体材料逸出。
52.根据条款50所述的装置，其中所述模式转换结构的外层包含封装所述第一材料和第二材料的第三材料。
53.根据条款52所述的装置，其中所述第三材料的外层在所述有限频率范围内在声学上是惰性的。
54.根据条款50所述的装置，其中所述第二液体材料包括高折射率液体。
55.根据条款50所述的装置，其中所述第二液体材料具有近似零的剪切模量，并且所述第一固体材料具有不可忽略的剪切模量。
56.根据条款1所述的装置，其中，选择所述声学材料属性的体积分布以形成对应于全息解决方案的初级声折射率的对应体积分布。
57.根据条款56所述的装置，其中，使用以下方程式来选择所述初级声折射率的体积分布：
其中n(x，y，z)是x，y，z坐标系中的所述初级声折射率的体积分布，
其中β是可选的归一化常数，
其中pin是来自所述ar设备的在所述模式转换结构的表面上的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输入压力场分布，以及
其中pgoal是来自所述模式转换结构的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输出压力场分布。
58.根据条款56所述的装置，其中，使用以下方程式来选择所述声折射率的体积分布：n2(x，y，z)-1＝β|pgoal+pin|2/|pin|2，
其中n(x，y，z)是x，y，z坐标系中的所述声折射率的体积分布，
其中β是可选的归一化常数，
其中pin是来自所述ar设备的在所述模式转换结构的表面上的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输入压力场分布，以及
其中pgoal是来自所述模式转换结构的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输出压力场分布。
59.根据条款1所述的装置，其中，使用优化算法来选择所述声学材料属性的体积分布，在所述优化算法中，所述声学材料属性被视为可优化变量。
60.根据条款59所述的装置，其中所述声学材料属性的实部和虚部被视为可单独优化的变量。
61.根据条款59所述的装置，其中，所述优化算法包括：修改至少一个可优化变量；以及确定用于所述修改的成本函数。
62.根据条款61所述的装置，其中所述优化算法包含基于相对于所述可优化变量中的每一者的偏导数来确定所述成本函数的梯度。
63.根据条款59所述的装置，其中所述优化算法包含使用伴随灵敏度算法来确定给定配置的灵敏度向量。
64.根据条款59所述的装置，其中，所述优化算法包括约束优化算法，其中，所述声学材料属性被视为被约束为具有大于或等于约1的实部和等于或约零的虚部的优化变量。
65.根据条款59所述的装置，其中，所述优化算法包括：从与全息解决方案相对应的初始猜测开始。
66.根据条款56所述的装置，其中，使用以下方程式来选择所述声折射率的体积分布：
其中n(x，y，z)是x，y，z坐标系中的所述声折射率的体积分布，
其中β是可选的归一化常数，
其中pin是来自所述ar设备的在所述模式转换结构的表面上的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输入压力场分布，
其中pgoal是来自所述模式转换结构的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输出压力场分布，以及
其中α是被选定以保持n的最小值的常数。
67.根据条款66所述的装置，其中选择α的值以维持n大于0。
68.根据条款66所述的装置，其中选择α的值以维持n大于1。
69.根据条款66所述的装置，其中对于n的小于最小阈值的值，通过设置为预定最小值nmin的n求解方程。
70.根据条款66所述的装置，其中对于n的大于最大阈值的值，通过设置为预定最大值nmax的n求解方程。
71.根据条款1所述的装置，其中，所述模式转换结构包括超颖材料。
72.根据条款1所述的装置，其中，所述模式转换结构包括非周期性光子晶体。
73.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构包含复合材料。
74.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构包含多孔材料。
75.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构包含泡沫材料。
76.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构包含层状复合材料。
77.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构包含分层的复合材料。
78.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构包含纤维束材料。
79.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构包含微棒材料。
80.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构包含纳米棒材料。
81.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构包含对于所述有限频率范围具有小于1的有效声折射率的超颖材料。
82.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构包含至少两种超颖材料，其中所述超颖材料中的每一者具有不同的声折射率。
83.根据条款82所述的装置，其中对于所述有限频率范围，所述超颖材料中的至少一者具有小于1的有效声折射率。
84.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构具有与所述ar设备的最大宽度和长度对应的最大宽度和长度。
85.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构的厚度小于所述有限频率范围内的最低频率的一个波长。
86.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构具有在所述有限频率范围内的最低频率的波长的十分之一波长与五个波长之间的最大厚度。
87.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构具有不均匀的厚度。
88.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构具有通常为球形的非均匀厚度。
89.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构包含形状为部分抛物线形的结构元件。
90.根据条款1所述的装置，其中经修改的所述声场轮廓类似于具有在大约2dbi与5dbi之间的方向性的ar设备的经修改的声场轮廓。
91.根据条款1所述的装置，其中经修改的所述声场轮廓类似于具有在大约10dbi与20dbi之间的方向性的ar设备的经修改的声场轮廓。
92.根据条款1所述的装置，其中经修改的所述声场轮廓类似于具有大于10dbi的方向性的ar设备的经修改的声场轮廓。
93.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为使所述ar设备的主瓣的远场波束宽度变窄。
94.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为增加所述ar设备的定向增益。
95.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为具有声学材料属性的体积分布，以在远场方向性图案中产生至少一个深最小值或零值。
96.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为具有声学材料属性的体积分布，以用于修改在未经修改的ar设备中远场中将出现零值的方向。
97.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为减小所述ar设备的远场旁瓣。
98.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为减小所述最大旁瓣电平。
99.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为减小在至少一个方向上的方向性。
100.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为减小至少一个旁瓣的功率电平。
101.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为减小辐射到特定立体角的功率。
102.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为改变最强旁瓣的方向。
103.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为改变最接近视轴的旁瓣的方向。
104.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为减少在与主瓣方向大致相反的方向上的辐射。
105.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为减少在向后的半空间中的辐射，所述向后的半空间定义为相对于视轴在约180度至270度之间的方向。
106.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为增加所述ar设备在近场中的辐射轮廓的均匀性。
107.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为在所述ar设备的所述近场中产生零值。
108.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为在所述ar设备的近场中产生声能密度的集中。
109.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为减小所述ar设备的近场中的声场的峰值。
110.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构被配置为具有声学材料属性的体积分布以修改所述远场辐射图案来补偿位于所述ar设备的反应性或辐射性近场中的再辐射物体。
111.根据条款110所述的装置，其中所述再辐射物体包括所述ar设备的一部分。
112.根据条款110所述的装置，其中所述再辐射物体包括在所述ar设备的反应性或辐射性近场中的物体。
113.根据条款110所述的装置，其中所述再辐射物体包括与所述ar设备相关联的支撑物。
114.根据条款110所述的装置，其中，使用三维打印机来打印所述模式转换结构，以用具有所分配的所述声学材料属性的材料来打印所述亚波长体素中的每一个。
115.根据条款1所述的装置，其中为每个体素分配选自n个离散声学材料属性的集合中的声学材料属性，其中n是大于1的整数。
116.根据条款1所述的装置，其中为每个体素分配从两种离散的声学材料属性中的一种中选择的声学材料属性。
117.根据条款116所述的装置，其中所述模式转换结构是使用三维打印机来印刷的，所述三维打印机被配置为使用两种材料中的一种来打印所述亚波长体素中的每一个，其中，每种材料对应于两种离散的声学材料属性中的一种。
118.根据条款117所述的装置，其中所述两种离散的声学材料属性中的一种近似等于在0到100摄氏度之间的温度下蒸馏水的声学材料属性。
119.根据条款116所述的装置，其中所述两种离散的声学材料属性中的一种包括为约1的声折射率。
120.根据条款119所述的装置，其中，所述模式转换结构是使用三维打印机打印的，所述三维打印机被配置为使用声折射率大于1的材料来打印所述亚波长体素中的每一个，并且对于其他亚波长体素中的每一个均不沉积任何材料。
121.根据条款119所述的装置，其中，所述模式转换结构是使用三维打印机打印的，所述三维打印机被配置为使用声折射率小于1的材料来打印所述亚波长体素中的每一个，并且对于其他亚波长体素中的每一个均不沉积任何材料。
122.根据条款116所述的装置，其中所述模式转换结构是使用三维打印机打印的，所述三维打印机被配置为使用具有两种声学材料属性中的第一种的材料来打印所述亚波长体素中的每一个，并且对于分配了两种声学材料属性中的第二种声学材料属性的所述亚波长体素中的每一个不沉积材料。
123.根据条款122所述的装置，其中所述第二种声学材料属性对应于被配置为填充印刷体素之间的至少一些空隙的流体的声折射率。
124.根据条款122所述的装置，其中所述两种离散的声学材料属性中的一种近似等于在0到100摄氏度之间的温度下的蒸馏水的声学材料属性。
125.根据条款1所述的装置，其中，使用汞合金混合、材料层压、注射成型工艺、挤出、发泡、压缩成型、真空成型、吹塑成型、旋转成型、浇铸、旋转浇铸、旋涂浇铸、机械加工、层沉积、化学蚀刻和浸渍模塑中的至少一种来制造所述模式转换结构。
126.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构使用玻璃形成材料中的至少一者来制造。
127.根据条款126所述的装置，其中所述玻璃形成材料包括二氧化硅和聚合物中的至少一种。
128.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构是通过将材料加热到高于玻璃化转变温度并将熔融形式的所述材料挤出通过掩模而制造的。
129.根据条款128所述的装置，其中所述掩模包括刚性掩模。
130.根据条款1所述的装置，其中所述模式转换结构是使用成型材料的注射成型制造的，其中在所述成型材料的固化之后去除模具材料。
131.根据条款130所述的装置，其中所述模具材料至少部分由于通过化学试剂溶解而被去除。
132.根据条款131所述的装置，其中所述模具材料的去除通过加热和超声处理中的至少一者来辅助。
133.一种方法，其包括：
在有限的频率范围内识别用于声辐射(ar)设备的目标辐射图案；
识别三维体积的边界以相对于所述ar设备包围模式转换结构；
识别在所述模式转换结构的表面上的来自所述ar设备的声辐射的输入压力场分布；
识别所述模式转换结构内的声学材料属性的体积分布，以将输入模式下的所述声辐射的输入压力场分布转换为输出模式下的近似于所述目标辐射图案的声辐射的输出场分布；以及
传输所述声学材料属性的体积分布以生成所述模式转换结构。
134.根据条款133所述的方法，其中，识别所述声学材料属性的体积分布包括识别材料属性的体积分布，所述材料属性的体积分布包括在选定坐标系中的线性弹性张量和动态密度张量的分量。
135.根据条款133所述的方法，其中，识别所述声学材料属性的体积分布包括：识别声学材料属性的组合以修改所述声场轮廓，从而实现目标远场或近场辐射图案。
136.根据条款135所述的方法，其中，所述声学材料属性的组合包括线性弹性张量和动态密度张量的分量的组合。
137.根据条款133所述的方法，其中，识别所述声学材料属性的体积分布包括识别所述声学材料属性的组合以修改所述声场轮廓，从而实现近场辐射图案。
138.根据条款137所述的方法，其中，所述声学材料属性的组合包括线性弹性张量和动态密度张量的分量的组合。
139.根据条款133所述的方法，其还包括：
将多个独特的声学材料属性中的每一个分配给相应的体素子集。
140.根据条款139所述的方法，其还包括：
由具有独特的体积模量的材料形成相应的体素子集中的每个体素，使得基于形成所述体素的所述材料的所述独特的体积模量，所述体素子集中的每个体素都具有独特的声学材料属性。
141.根据条款139所述的方法，其还包括：
由具有独特的弹性模量的材料形成相应的体素子集中的每个体素，使得基于形成所述体素的所述材料的所述独特的弹性模量，所述体素子集中的每个体素都具有独特的声学材料属性。
142.根据条款139所述的方法，其还包括：
由具有独特的密度的材料形成相应的体素子集中的每个体素，使得基于形成所述体素的所述材料的所述独特的密度，所述体素子集中的每个体素都具有独特的声学材料属性。
143.根据条款139所述的方法，其还包括：
由具有独特的声学特性的材料形成相应的体素子集中的每个体素，使得基于形成所述体素的所述材料的所述独特的声学相关的质量，所述体素子集中的每个体素都具有独特的声学材料属性。
144.根据条款143所述的方法，其中所述材料的独特的声学特性包括以下至少两项：所述材料的密度、所述材料的弹性模量和所述材料的体积模量。
145.根据条款143所述的方法，其中所述材料的独特声学特性包括所述材料的密度、所述材料的弹性模量和所述材料的体积模量的组合。
146.根据条款133所述的方法，其中，所述ar设备包括声换能器。
147.根据条款146所述的方法，其中所述模式转换结构相对于所述声换能器定位。
148.根据条款133所述的方法，其中，所述ar设备包括声发射器。
149.根据条款133所述的方法，其中，所述ar设备包括声接收器。
150.根据条款133所述的方法，其中，所述ar设备包括超声换能器。
151.根据条款133所述的方法，其中，所述ar设备包括次声换能器。
152.根据条款133所述的方法，其中，所述ar设备包括可听声辐射设备。
153.根据条款133所述的方法，其中所述ar设备包含振动设备。
154.根据条款133所述的方法，其中，所述ar设备包括声辐射设备。
155.根据条款133所述的方法，其中所述ar设备包含光学辐射天线，所述光学辐射天线被配置为在声振动与电流之间转换。
156.根据条款133所述的方法，其中，所述第一模式包括与由以下之一生成的声学分布相对应的声学近场分布：电声换能器、扬声器、静电扬声器、压电换能器、mems换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器(emat)、电动扬声器、动态扬声器和无源辐射器。
157.根据条款156所述的方法，其中，所述第二模式包括与由以下之一生成的声近场分布：扬声器、静电扬声器、压电换能器、mems换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器(emat)、电动扬声器和无源辐射器。
158.根据条款133所述的方法，其中，所述体积分布在坐标系中的一个空间维度上近似均匀，使得所述模式转换结构的体积分布实际上是二维的。
159.根据条款158所述的方法，其中所述坐标系是笛卡尔坐标系，使得所述体积分布对应于垂直于其平面的平坦二维分布的均匀挤压。
160.根据条款158所述的方法，其中所述坐标系是圆柱形的，使得所述体积分布对应于二维平面横截面围绕选定的旋转轴线的均匀旋转。
161.根据条款133所述的方法，其中所述模式转换结构被配置为定位在所述ar设备的声传输线的一端上。
162.根据条款161所述的方法，其中所述模式转换结构被配置为从与沿着所述声传输线的声传输相关联的第一模式转换为作为自由空间声辐射模式的第二模式。
163.根据条款161所述的方法，其中所述模式转换结构被配置为从与自由空间声辐射相关联的第一模式转换为用于沿着所述ar设备的声传输线进行声传输的第二模式。
164.根据条款133所述的方法，其中，识别所述声学材料属性的体积分布包括识别将由具有第一声学特性的第一材料形成的第一体素子集和将由具有与所述第一声学特性不同的第二声学特性的第二材料形成的第二体素子集。
165.根据条款164所述的方法，其中，所述第一材料的所述声学特性包括密度、弹性模量和体积模量中的一项或多项。
166.根据条款165所述的方法，其中，所述第一材料的声学特性包括弹性模量，并且所述第二材料的声学特性包括材料的密度和材料的体积模量中的一项或多项。
167.根据条款165所述的方法，其中所述第二材料的声学特性包含以下一项或多项：所述材料的密度、所述材料的弹性模量和所述材料的体积模量。
168.根据条款164所述的方法，其中，识别所述声学材料属性的体积分布还包括识别将由具有第三声学特性的第三材料形成的第三体素子集。
169.根据条款164所述的方法，其中所述第一材料包括具有第一声学特性的光学透明材料，并且所述第二材料包括具有第二声学特性的光学透明材料。
170.根据条款169所述的方法，其中所述第一材料包括透明的无机玻璃，并且所述第二材料包括透明的聚合物。
171.根据条款170所述的方法，其中所述透明聚合物包括玻璃聚合物和热塑性塑料中的一种。
172.根据条款169所述的方法，其中所述第一材料包括无机玻璃，并且所述第二材料包括掺杂的无机玻璃。
173.根据条款169所述的方法，其中所述第一材料包括玻璃，并且其中所述第二材料包括嵌入了纳米粒子的玻璃。
174.根据条款169所述的方法，其中所述第一材料包括聚合物，并且其中所述第二材料包括嵌入了纳米粒子的聚合物。
175.根据条款169所述的方法，其中所述第一材料包括具有第一聚合数的第一聚合物，并且其中所述第二材料包括具有第二聚合数的第二聚合物。
176.根据条款169所述的方法，其还包括使用所述第一材料和第二材料形成光学透明窗的至少一部分。
177.根据条款169所述的方法，其还包括使用所述第一材料和第二材料形成光学透明车窗的至少一部分。
178.根据条款169所述的方法，其还包括使用所述第一材料和第二材料形成一种结构中的光学透明窗的至少一部分。
179.根据条款169所述的方法，其还包括使用所述第一材料和第二材料形成镜的至少一部分。
180.根据条款165所述的方法，其中所述第一材料包括具有所述第一声学特性的光学透明材料。
181.根据条款180所述的方法，其中所述第一材料包括浸没液体。
182.根据条款181所述的方法，其中所述浸没液体包括矿物油、合成油和聚合物油中的至少一种。
183.根据条款133所述的方法，其中，识别所述声学材料属性的体积分布包括：识别标准环境温度压力(satp)下的所述声学材料属性的体积分布作为将由具有第一声学特性的第一固体材料形成的第一体素子集和将由具有不同于第一声学特性的第二声学特性的第二液体材料形成的第二体素子集。
184.根据条款183所述的方法，其中所述模式转换结构的所识别的声学材料属性的体积分布的外层被识别为所述第一固体材料以防止所述第二液体材料逸出。
185.根据条款183所述的方法，其中所述模式转换结构的所识别的声学材料属性的体积分布的外层被识别为封装所述第一材料和第二材料的第三材料。
186.根据条款185所述的方法，其中所述第三材料的所识别的声学材料属性的体积分布的外层在所述有限频率范围内在声学上是惰性的。
187.根据条款183所述的方法，其中所述第二液体材料包括高折射率液体。
188.根据条款183所述的方法，其中所述第二液体材料具有近似零的剪切模量，并且所述第一固体材料具有不可忽略的剪切模量。
189.根据条款133所述的方法，其中，识别所述声学材料属性的体积分布包括选择对应于全息解决方案的初级声折射率的体积分布。
190.根据条款189所述的方法，其中，使用以下方程式来选择所述初级声折射率的体积分布：
其中n(x，y，z)是x，y，z坐标系中的所述初级声折射率的体积分布，
其中β是可选的归一化常数，
其中pin是来自所述ar设备的在所述模式转换结构的表面上的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输入压力场分布，以及
其中pgoal是来自所述模式转换结构的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输出压力场分布。
191.根据条款189所述的方法，其中，使用以下方程式来选择所述声折射率的体积分布：n2(x，y，z)-1＝β|pgoal+pin|2/|pin|2，
其中n(x，y，z)是x，y，z坐标系中的所述声折射率的体积分布，
其中β是可选的归一化常数，
其中pin是来自所述ar设备的在所述模式转换结构的表面上的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输入压力场分布，以及
其中pgoal是来自所述模式转换结构的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输出压力场分布。
192.根据条款133所述的方法，其中，识别所述声学材料属性的体积分布包括使用优化算法，在所述优化算法中，所述声学材料属性被视为可优化变量。
193.根据条款192所述的方法，其中所述声学材料属性的实部和虚部被视为可单独优化的变量。
194.根据条款192所述的方法，其中，所述优化算法包括：修改至少一个可优化变量；以及确定用于所述修改的成本函数。
195.根据条款194所述的方法，其中所述优化算法包含基于相对于所述可优化变量中的每一者的偏导数来确定所述成本函数的梯度。
196.根据条款192所述的方法，其中所述优化算法包含使用伴随灵敏度算法来确定给定配置的灵敏度向量。
197.根据条款192所述的方法，其中，所述优化算法包括约束优化算法，其中，所述声学材料属性被视为被约束为具有大于或等于约1的实部和等于或约零的虚部的优化变量。
198.根据条款192所述的方法，其中，所述优化算法包括：从与全息解决方案相对应的初始猜测开始。
199.根据条款189所述的方法，其中，使用以下方程式来选择所述声折射率的体积分布：
其中n(x，y，z)是x，y，z坐标系中的所述声折射率的体积分布，
其中β是可选的归一化常数，
其中pin是来自所述ar设备的在所述模式转换结构的表面上的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输入压力场分布，
其中pgoal是来自所述模式转换结构的声辐射的相对于所述x，y，z坐标系的输出压力场分布，以及
其中α是被选定以保持n的最小值的常数。
200.根据条款199所述的方法，其中选择α的值以维持n大于0。
201.根据条款199所述的方法，其中选择α的值以维持n大于1。
202.根据条款199所述的方法，其中对于n的小于最小阈值的值，通过设置为预定最小值nmin的n求解方程。
203.根据条款199所述的方法，其中对于n的大于最大阈值的值，通过设置为预定最大值nmax的n求解方程。
204.根据条款133所述的方法，其还包括：
使用传输的所述声学材料属性的体积分布生成所述模式转换结构。
205.根据条款204所述的方法，其中，所述模式转换结构包括超颖材料。
206.根据条款204所述的方法，其中，所述模式转换结构包括非周期性光子晶体。
207.根据条款204所述的方法，其中所述模式转换结构包含复合材料。
208.根据条款204所述的方法，其中所述模式转换结构包含多孔材料。
209.根据条款204所述的方法，其中所述模式转换结构包含泡沫材料。
210.根据条款204所述的方法，其中所述模式转换结构包含层状复合材料。
211.根据条款204所述的方法，其中所述模式转换结构包含分层的复合材料。
212.根据条款204所述的方法，其中所述模式转换结构包含纤维束材料。
213.根据条款204所述的方法，其中所述模式转换结构包含微棒材料。
214.根据条款204所述的方法，其中所述模式转换结构包含纳米棒材料。
215.根据条款204所述的方法，其中所述模式转换结构包含对于所述有限频率范围具有小于1的有效声折射率的超颖材料。
216.根据条款204所述的方法，其中所述模式转换结构包含至少两种超颖材料，其中所述超颖材料中的每一者具有不同的声折射率。
217.根据条款216所述的方法，其中对于所述有限频率范围，所述超颖材料中的至少一者具有小于1的有效声折射率。
218.根据条款204所述的方法，其中所述模式转换结构具有与所述ar设备的最大宽度和长度对应的最大宽度和长度。
219.根据条款204所述的方法，其中所述模式转换结构的厚度小于所述有限频率范围内的最低频率的一个波长。
220.根据条款204所述的方法，其中所述模式转换结构具有在所述有限频率范围内的最低频率的波长的十分之一波长与五个波长之间的最大厚度。
221.根据条款204所述的方法，其中所述模式转换结构具有不均匀的厚度。
222.根据条款204所述的方法，其中所述模式转换结构具有通常为球形的非均匀厚度。
223.根据条款204所述的方法，其中所述模式转换结构包含形状为部分抛物线形的结构元件。
224.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案类似于具有在大约2dbi与5dbi之间的方向性的ar设备的目标辐射图案。
225.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案类似于具有在大约10dbi与20dbi之间的方向性的ar设备的目标辐射图案。
226.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案类似于具有大于10dbi的方向性的ar设备的目标辐射图案。
227.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置为使所述ar设备的主瓣的远场波束宽度变窄。
228.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置为增加所述ar设备的定向增益。
229.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置用于在远场方向性图案中产生至少一个深最小值或零值。
230.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置用于修改在未经修改的ar设备中远场中将出现零值的方向。
231.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置为减小所述ar设备的远场旁瓣。
232.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置为减小所述最大旁瓣电平。
233.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置为减小在至少一个方向上的方向性。
234.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置为减小至少一个旁瓣的功率电平。
235.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置为减小辐射到特定立体角的功率。
236.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置为改变最强旁瓣的方向。
237.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置为改变最接近视轴的旁瓣的方向。
238.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置为减少在与主瓣方向大致相反的方向上的辐射。
239.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置为减少在向后的半空间中的辐射，所述向后的半空间定义为相对于视轴在约180度至270度之间的方向。
240.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置为增加所述ar设备在近场中的辐射轮廓的均匀性。
241.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置为在所述ar设备的所述近场中产生零值。
242.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置为在所述ar设备的近场中产生声能密度的集中。
243.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置为减小所述ar设备的近场中的声场的峰值。
244.根据条款133所述的方法，其中所述目标辐射图案被配置为修改所述远场辐射图案来补偿位于所述ar设备的反应性或辐射性近场中的再辐射物体。
245.根据条款244所述的方法，其中所述再辐射物体包括所述ar设备的一部分。
246.根据条款244所述的方法，其中所述再辐射物体包括在所述ar设备的反应性或辐射性近场中的物体。
247.根据条款244所述的方法，其中所述再辐射物体包括与所述ar设备相关联的支撑物。
248.根据条款133所述的方法，其还包括：
将多个独特的声学材料属性中的每一个分配给相应的体素子集；以及
生成所述模式转换结构作为具有所述独特声学材料属性的体素分布。
249.根据条款248所述的方法，其中，使用三维打印机来打印所述目标辐射图案，以用具有所分配的所述声学材料属性的材料来打印所述亚波长体素中的每一个。
250.根据条款248所述的方法，其中为每个体素分配选自n个离散声学材料属性的集合中的声学材料属性，其中n是大于1的整数。
251.根据条款248所述的方法，其中为每个体素分配从两种离散的声学材料属性中的一种中选择的声学材料属性。
252.根据条款251所述的方法，其中所述模式转换结构是使用三维打印机来印刷的，所述三维打印机被配置为使用两种材料中的一种来打印所述亚波长体素中的每一个，其中，每种材料对应于两种离散的声学材料属性中的一种。
253.根据条款252所述的方法，其中所述两种离散的声学材料属性中的一种近似等于在0到100摄氏度之间的温度下蒸馏水的声学材料属性。
254.根据条款248所述的方法，其中，使用汞合金混合、材料层压、注射成型工艺、挤出、发泡、压缩成型、真空成型、吹塑成型、旋转成型、浇铸、旋转浇铸、旋涂浇铸、机械加工、层沉积、化学蚀刻和浸渍模塑中的至少一种来制造所述模式转换结构。
255.根据条款248所述的方法，其中所述模式转换结构使用玻璃形成材料中的至少一者来制造。
256.根据条款255所述的方法，其中所述玻璃形成材料包括二氧化硅和聚合物中的至少一种。
257.根据条款133所述的方法，其还包括通过将材料加热到高于玻璃化转变温度并将熔融形式的所述材料挤出通过掩模而制造所述模式转换结构。
258.根据条款257所述的方法，其中所述掩模包括刚性掩模。
259.根据条款133所述的方法，其还包括：
使用成型材料的注射成型并且在所述成型材料的固化之后去除模具材料来制造所述模式转换结构。
260.根据条款259所述的方法，其中去除所述模具材料包括使用化学试剂溶解所述模具材料。
261.根据条款260所述的方法，其中使用所述化学试剂去除所述模具材料还包括加热所述模具材料和应用超声处理。
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