一種方向可控的聲增強透射器件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于聲學超材料領域，尤其是一種方向可控的聲增強透射器件。
【背景技術】
[0002]聲波是現(xiàn)實生活中常見的能量載體，聲波在傳播過程中，會遇到各種反射物體，而受到影響，如果聲波經(jīng)過反射物體時，聲波能透過反射物體，且聲透射能流密度得到進一步增強，即為聲增強透射效應。如果聲增強透射效應得以實現(xiàn)，則可運用到各種需要對聲能量實現(xiàn)特殊控制的重要場合，例如:醫(yī)學超聲、保密通訊、聲波探測等。因此，聲增強透射器件的研究具有十分重要的學術價值及應用前景。
[0003]實現(xiàn)聲增強透射的結構主要有以下三種:
[0004]第一種是設計浸沒在流體中的周期性結構固體板結構，且在固體板上設置單個或周期性的孔縫，通過單個孔縫的Fabry-Perot共振效應，或者周期性的孔縫產(chǎn)生的表面衍射波與狹縫波導Fabry-Perot共振模式的耦合，可以獲得聲增強透射效應。
[0005]第二種是設計浸沒在流體中的兩側具有相同周期性柵格的固體板狀結構，與第一種方法不同，該固體板狀結構不存在任何孔縫，在一些特定頻率下，聲波通過固體板狀結構會激發(fā)產(chǎn)生位移本征模式，從而透過固體板狀結構，獲得聲增強透射效應，該機理與電磁波增強透射效應的等離激元機理類似。
[0006]第三種是設計新型聲超材料結構，如具有一定周期的銅板與空氣組成的蜷曲空間結構，通過結構參數(shù)設計，使得蜷曲空間結構與外界空氣的聲阻抗相同，從而使得聲波完全透過蜷曲空間結構，實現(xiàn)聲增強透射效應。
[0007]傳統(tǒng)技術的缺點是:
[0008](I)在周期性固體板設計孔或縫的結構中，聲增強透射效應源于表面衍射波和狹縫波導Fabry-Perot共振模式在結構表面的耦合，透射聲能量主要集中在固體板結構表面，距離固體板較遠處，幾乎沒有透射聲能量，因此，透射聲能量無法傳播，從而無法加以利用。
[0009](2)上述三種聲增強透射器件均為周期性結構，要獲得聲增強透射效應，需要一定的周期數(shù)，從而造成器件尺寸較大，結構較復雜，不易制造。
[0010](3)傳統(tǒng)的聲增強透射器件的聲透射能量方向單一，無法控制透射能流的出射方向，在實際應用中有一定的局限性。

【發(fā)明內容】

[0011]針對傳統(tǒng)聲增強透射器件中的聲透射能量集中在結構表面，結構復雜、尺寸大，聲透射能量無法定向傳播等缺陷，本發(fā)明提出一種聲增強透射效果優(yōu)異、頻率覆蓋范圍寬、結構簡單易實現(xiàn)、透射能量方向可控的聲增強透射器件。
[0012]本發(fā)明是通過以下技術手段實現(xiàn)上述技術目的。
[0013]一種方向可控的聲增強透射器件，包括圓柱聲源發(fā)生裝置、金屬空心圓柱和水，所述金屬空心圓柱浸沒在水中，圓柱聲源發(fā)生裝置位于金屬空心圓柱中，用于發(fā)出柱面聲波；所述金屬空心圓柱的內徑r = 1.5 μπι?1.5m、外徑R= 2.0 μm ~ 2.0m。
[0014]優(yōu)選地，所述圓柱聲源發(fā)生裝置位置可移動的設置在金屬空心圓柱中。
[0015]優(yōu)選地，所述金屬空心圓柱的材質為銅、鐵、鋼、鋁、鋅、金、銀、鎳中的一種或多種的合金材料。
[0016]優(yōu)選地，所述金屬空心柱的截面形狀為圓形或橢圓形。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
[0018](I)聲增強透射效果好
[0019]將金屬空心圓柱浸沒在水中，金屬圓柱的內外兩側均是水，在一些特定的頻率，當圓柱聲源從金屬空心圓柱中心或者內部一些特定的位置向外輻射時，可以在金屬空心圓柱外側產(chǎn)生聲增強透射效應。采用有限元方法數(shù)值模擬聲波增強透射性能，證實本發(fā)明所提出的聲增強透射器件，與自由空間相比，金屬空心圓柱外側的聲壓幅值增大近20倍，且波形的傳播方向不變。
[0020](2)聲增強透射的頻率范圍廣
[0021]本發(fā)明所提出的聲增強透射器件，聲增強透射的頻率與金屬空心圓柱的整體尺寸成反比，當金屬空心圓柱整體縮小時，聲增強透射頻率增大，可高達近IGHz ;當金屬空心圓柱尺寸放大時，聲增強透射頻率減小，可低至10Hz ;頻率的范圍在10Hz?IGHz之間，因此，聲增強透射頻率的范圍很廣。
[0022](3)可適用于不同形狀的金屬空心柱狀結構
[0023]本發(fā)明所提出的聲增強透射器件，基于柱狀結構的聲增強透射效應，可采用圓形及橢圓形柱狀結構，適用范圍廣。
[0024](4)聲透射能量大小、開關、出射方向可控
[0025]本發(fā)明所提出的聲增強透射器件，可通過調節(jié)金屬空心圓柱內部圓柱聲源發(fā)生裝置的位置，來控制聲透射能量的大小、開關及出射方向。
[0026](5)器件結構簡單，易加工
[0027]本發(fā)明所提出的金屬空心圓柱，是基于位移本征模式來實現(xiàn)聲增強透射效應，與傳統(tǒng)的基于位移本征模式聲增強透射器件相比，結構簡單，尺寸適中，易加工制備，易集成，有利于推廣應用。
[0028]本發(fā)明所述的聲波增強透射器件，能夠用于醫(yī)學超聲檢測儀器(B超)、保密聲通訊發(fā)射器、聲波探測器。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明所述聲波增強透射器件的三維結構示意圖；
[0030]圖2聲波增強透射器件的χ-y平面的二維截面圖；
[0031]圖3頻率為160.39kHz柱面聲波激發(fā)(a)自由空間及(b)黃銅空心圓柱產(chǎn)生的聲壓振幅分布；
[0032]圖4頻率為160.39kHz柱面聲波激發(fā)(a)自由空間及(b)黃銅空心圓柱產(chǎn)生的聲壓相位分布；
[0033]圖5頻率為160.39kHz柱面聲波激發(fā)黃銅空心圓柱產(chǎn)生的位移變形圖；
[0034]圖6頻率為(a) 209.71kHz與(b) 259.02kHz圓柱聲波激發(fā)黃銅空心圓柱產(chǎn)生的聲壓振幅分布；
[0035]圖7柱面聲波激發(fā)黃銅空心圓柱產(chǎn)生的聲壓振幅分布:(a)R = 2.0 μπι，r =
1.5 μ m，頻率為 1603.9MHz ； (b) R = 2.0m, r = 1.5m，頻率為 1604Hz ；
[0036]圖8柱面聲波激發(fā)不同材料的空心圓柱產(chǎn)生的聲壓振幅分布:(a)鋼圓柱，頻率為160.58kHz ； (b)鋁圓柱，頻率為 161.53kHz ；
[0037]圖9頻率為(a)67.84kHz與(b) 123.1lkHz柱面聲波激發(fā)黃銅空心橢圓柱產(chǎn)生的聲壓振幅分布；
[0038]圖10頻率為160.39kHz柱面聲波激發(fā)黃銅空心圓柱產(chǎn)生的聲壓振幅分布:圓柱聲源位置分別在空心圓柱內(a)A點(5.70mm，0)，(b)B點(8.17mm，0)；
[0039]圖11頻率為134.81kHz柱面聲波激發(fā)黃銅空心圓柱產(chǎn)生的聲壓振幅分布:圓柱聲源位置分別在空心圓柱內(a)A點(3.1Omm, O), (b)B點(2.19mm，2.19mm)，(c)C點(0，
3.10mm)；
[0040]圖12頻率為106.47kHz柱面聲波激發(fā)黃銅空心圓柱激發(fā)的聲壓振幅分布圖:圓柱聲源位置分別在空心圓柱內(a)A點(6.82mm,O), (b)B點(4.82mm,4.82mm) 0
[0041 ]圖中:
[0042]1-圓柱聲源發(fā)生裝置，2-金屬空心圓柱。
【具體實施方式】
[0043]下面結合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于此。
[0044]本發(fā)明所述的聲增強透射器件，包括圓柱聲源發(fā)生裝置1、金屬空心圓柱2和水，圓柱聲源發(fā)生裝置I位于金屬空心圓柱2中，所述金屬空心圓柱2浸沒在水中，所述金屬空心圓柱2的內徑r = 1.5 μπι?1.5m、外徑R= 2.0 μm ~ 2.0m。
[0045]所述聲增強透射器件，基于環(huán)狀結構的聲增強透射效應，所述金屬空心圓柱2的材質可選用為銅、鐵、鋼、鋁、鋅、金、銀、鎳或其合金材料，可采用空心圓柱及空心橢圓柱結構，即，所述金屬空心柱2的截面形狀為圓形或橢圓形。金屬圓柱外側的聲壓幅值增大近20倍，且波形的傳播方向不變。聲增強透射的頻率范圍很廣，使用的頻率范圍為10Hz?IGHz0
[0046]將所述圓柱聲源發(fā)生裝置I位置可移動的設置在金屬空心圓柱2中，通過調節(jié)金屬空心圓柱2內部圓柱聲源發(fā)生裝置I的位置，來控制聲透射能量的大小、開關及出射方向。
[0047]為了核實本發(fā)明所述聲增強透射器件的聲增強透射效果，采用有限元方法數(shù)值模擬聲波增強透射性能，模擬過程及結果具體如下:
[0048]實施例1
[0049]圖1為本發(fā)明所述的聲波增強透射器件的三維結構示意圖，為了能夠簡化計算，根據(jù)金屬空心圓柱2及圓柱聲源的柱對稱性，將其簡化為χ-y平面的二維模型，如圖2所示。采用有限元數(shù)值方法建立浸沒在水中的金屬空心圓柱2模型，計算聲波增強透射性能。其中所述空心圓柱的材料選用黃銅；外徑R = 20.0mm,內徑r = 15.0mm ;材料參數(shù)分別為:黃銅的密度8400kg/m3，縱波速度4400m/s及橫波速