基于声学超表面的透射声场调控研究

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超声技术广泛应用于医学诊疗、工业检测、海洋科学、军事等社会生活的各领域,按照需要产生特殊声场分布的声场调控技术是各种超声应用的核心。人工结构设计的声学超材料是目前声场调控研究领域的热点,在声场分布的调控方面与传统的经典声学材料相比有独特的优势。基于声学超表面技术可以实现对超声波的灵活调控,在许多需要特殊超声场分布的应用领域有巨大的前景。本文基于时间反演法和迭代角谱法两种方法,设计了具有调控声波全相位范围能力的透射型声学超表面。通过调控透射声波,在距离声学超表面一定距离的平面上形成预设的重建声场。具体内容包括:(1)基于超声相控阵设计思路和时间反演等方法的基本思想,设计了 10 ×10共100阵元的声学超表面。通过有限元仿真得到声学超表面上的延迟时间,并将其转化为声学超表面的单元厚度数据进行建模。经过反演声场的仿真,在距离声学超表面初始位置8 mm处,实现了“S”形声场的重建。(2)应用迭代角谱法(IASA),设计了 20×20共400阵元的透射型声学超表面。定义了 3 mm处为调控声场的重建平面。通过理论计算,在迭代角谱法迭代收敛后得到了声学超表面处的相位分布数据。将声学超表面的相位分布转换为材料的厚度数据,进行有限元仿真和理论计算,获得到了与理论计算一致的重建声场。(3)基于迭代角谱法设计了 76×76共5776单元,共两种不同透射重建声场的透射型声学超表面,制作了满足实验要求的声学超表面和声学换能器。获得了在距离声学超表面25 mm处的重建声场。通过对理论计算得到的理想重建声场图像与实际实验测得的图像的大小进行测量,两种透射重建声场实验结果均与理论计算有较高的一致性,表明基于迭代角谱法实现透射型声学超表面设计的可行性。本文通过理论计算、有限元仿真和实验验证,完成了透射型声学超表面的声场调控设计。本文所提出的声学超表面及其设计方法,相较于传统的超声相控阵而言,有着更高的自由度和分辨率,并且计算量较小,成本更少。
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