CN107863097B - 一种基于图案化裁剪技术聚焦声波的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于图案化裁剪技术聚焦声波的方法，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平面聚焦于焦点或者空间聚焦于焦点，其中，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。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学聚焦。得到的声聚焦点可用于超声波碎石，等方面，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于声波技术领域，更具体地，涉及一种基于图案化裁剪技术聚焦声波的方法。
背景技术
对声波的聚焦对于超声成像、冲击波碎石、声能武器等有着重要的意义并且在生产和生活中都有着重大的实用价值。现有的文献中，利用平面装置对声波进行聚焦的方法有主动式的相控阵列法和被动式的波导空腔的堆叠等。其实现方法都是使平面上不同位置的相位元具有不同的相位，使整个通过装置平面内满足到焦点相位相长的关系来实现聚焦。
主动式的相控阵列是利用电流控制延迟相位；而被动式波导空腔是利用在有限距离金属波导内的设计扭曲的声通道来实现大的相位改变。上述两种方法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。
但是，以上两种方式的器件厚度都在厘米级以上并且整个装置十分庞大和厚重，成本也较高，限制了其应用范围。并且这两种堆叠相位单元的方法由于其单元体积不能忽略，其具体效果的精度有限，尤其是对波长小于单元尺寸的声波很难聚焦。并且主动式的方法由于要配置电源和控制***，使整个***更为庞大，难以整合进手持器件等。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于图案化裁剪技术聚焦声波的方法及装置，由此解决现有声波聚焦装置聚焦精度有限、装置庞大以及成本较高等技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于图案化裁剪技术聚焦声波的方法，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平面聚焦于焦点或者空间聚焦于焦点，其中，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。
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为环形结构的总环线数。
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，所述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。
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、本发明可以实现高效的声学聚焦，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、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)。
3、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聚焦声波的方法流程示意图；
图2为本发明提供的条形结构聚焦图案裁剪示意图；
图3为本发明提供的透射积分场计算示意图；
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12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13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14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15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16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17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18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学聚焦。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，可以对不同频率的声波进行聚焦，并且焦距根据图案可调。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聚焦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，对该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平面聚焦于焦点或者空间聚焦于焦点，其中，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。
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，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3所示：图3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，
ω为入射波的角频率，k为入射波的波矢。ρair为空气的密度，
是直角坐标系下源点(xS,yS,zS)和目标点(x,y,z)之间的距离，Ω1表示无薄膜部分(被裁剪部分)的积分区间。
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。
进一步地，针对条形结构，将具体的积分区间代入公式，经过简化我们可以得到如下表达式：
柱坐标系下，类似的有：
其中，
是柱坐标系下源点(rS,θS,zS)和目标点(r,θ,z)之间的距离。
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
式中等号左边的π表示有膜和没膜部分相差180度的初相位，所以令等号左边整体等于π的话，那么相邻源点到焦点的相位差就刚好为2π，这样的场就完全叠加而没有抵消的部分。
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
所以条纹宽度可以表示为：
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
相对于条形只在一个方向上聚焦，该环形结构在两个维度都有聚焦的效果。
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2)，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，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11至图14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15到图18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15-图18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2、图7所描述的两种方案，上述2种方案只是聚焦类图案的代表，利用本发明给出的薄膜进行裁剪使得声波聚焦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。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于图案化裁剪技术聚焦声波的方法，其特征在于，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；所述确定相位调控薄膜的方法，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；将所述混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，得到带颗粒的静电纺丝纤维，进而由所述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；
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平面聚焦于焦点或者空间聚焦于焦点，其中，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；对所述相位调控薄膜进行裁剪的方式包括方式一或方式二；所述方式一为：将所述相位调控薄膜裁剪成对称分布的条形结构，第n条裁剪线相距对称中心的宽度ln满足：
此时，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；
所述方式二为：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：
此时，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。
2.根据权利要求1所述的基于图案化裁剪技术聚焦声波的方法，其特征在于，所述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。
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