一种声聚焦材料系统及其设计方法

本发明属于声学聚焦领域，具体说是一种声聚焦材料系统及其设计方法。

背景技术：

1、近年来，针对声场调控的研究受到人们的广泛关注。通过声场调控，可以实现很多在自然界难以出现的奇特的声学功能，如声涡旋、声隐身、声学黑洞、声音定向传播、完美吸声、声聚焦等。其中，声聚焦可以将分散的声能量聚集在某个局部位置，形成高声能区域。这种技术目前已被应用于超声诊疗、超声无损检测、水下侦查探测等领域；而且在民用方面，如教育、休闲娱乐、影视场馆、辅助听觉等方面都有非常广泛的应用前景。

2、目前关于声聚焦的研究主要是集中在超声聚焦领域，以及水下环境的研究，基于空气环境下对人耳可听范围的声波聚焦研究相对较少。另外，为了在特定位置实现精准的聚焦效果，必须确保经过每一个聚焦材料的声波在聚焦点处的相位保持高度的一致性，才能确保聚焦点处相对声压高、散斑少，实现较为理想的聚焦效果；而目前的声聚焦研究主要是设计多个结构相同的声学超表面，这种构造难以实现声波在聚焦点处相位完全一致，不能实现精确的聚焦；同时声学超表面材料的构造一般相对复杂，需要用到的材料数量较多。此外，现有的声学超表面技术在灵活性和定制方面存在局限。这些超表面一般设计固定，针对特定需求的定制和制造过程既耗费资源，又限制了材料的应用范围。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种声聚焦材料系统，根据聚焦原理放置若干个锯齿数量不同的聚焦材料，确保相位相同的入射声波同时入射各个聚焦材料后，出射声波在聚焦点处相位一致，实现声音的精准聚焦。可通过聚焦材料在不同位置的排列组合，灵活调节聚焦点位置的横向和纵向变化。另外通过声聚焦结构单元的设计，大幅提高了系统的适用性和灵活性，而且降低了制造过程的复杂性和成本。

2、本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种声聚焦材料系统，由多个分割的聚焦结构单元沿水平方向排列组成，包括：外壳、锯齿结构以及声音传输通道；

3、其中，所述外壳为采用pvc材料的长方体壳体结构，且包覆于锯齿结构外表面，以提供声聚焦材料系统近似硬声场边界层；

4、所述锯齿结构包括左锯齿结构和右锯齿结构；

5、左锯齿结构和右锯齿结构的锯齿相互交错设置，在左锯齿结构和右锯齿结构之间形成中空的声音传输通道，以使声音的大部分能量在传输到锯齿结构和外壳处发生反射，经过声音传输通道传输出去。

6、所述外壳宽度w和高度h根据声波的波长λ确定，当声波频率越低，声波波长越大，需要w和h的取值更大；反之，声波频率越高，需要w和h的取值越小，设定外壳宽度w大于0.2λ；外壳高度h不低于波长λ。

7、所述锯齿结构采用声阻抗z不低于106kg·m-2·s-1的pvc材料。

8、所述锯齿结构的锯齿斜边与水平面之间的夹角均为tanα＝0.8；

9、其中，所述锯齿结构中最大锯齿数量n为：

10、

11、其中，为向下取整，h为外壳高度，w为外壳宽度。

12、所述声音传输通道底部的宽度为声聚焦材料系统宽度除去外壳的内部宽度a的一半，即

13、一种声聚焦材料系统的设计方法，包括以下步骤：

14、1)建立多个高度宽度相等的聚焦结构单元，并将多个聚焦结构单元进行组合，完成声聚焦材料结构的搭建；

15、2)构建声聚焦材料系统的三维模型，并将其简化为高度为h，宽度为w的二维材料模型；设定x—y坐标系，选定在x—y坐标系中的聚焦焦点坐标(x，y)；

16、其中，所述聚焦焦点坐标(x，y)与距其最近的聚焦结构单元底部的纵向距离不小于5λ；

17、3)按照设定放置要求，在x—y坐标系中放置多个聚焦结构单元，使通过每个聚焦结构单元的声波在聚焦点都保持相同相位；

18、4)在聚焦点处测试声聚焦材料系统的聚焦效果是否达到设定要求，即通过comsol进行声学仿真，仿真后盖聚焦点的声压和声压级，当聚焦后聚焦点的声压为未聚焦时的4倍时，或该聚焦点的声压为所有位置点中最大时，则达到要求；

19、若达到要求，则记录聚焦材料中各项数据，并完成声聚焦材料系统设计，若达不到要求，则返回执行步骤3)。

20、所述建立多个高度宽度相等且组合方式不同的聚焦结构单元；

21、每种聚焦结构单元为不同组合方式的矩形空洞型结构单元，包括：结构主体以及设于结构主体上的t型榫头、t型榫眼、l型榫头、l型榫眼、防声挡板；

22、所述结构主体包括：单元正面和单元背面；

23、所述t型榫头设于单元正面上，且插设于单元背面的t型榫眼内，与t型榫眼相适配，以实现与相应配对元件的滑动式连接；

24、所述l型榫头设于单元背面的上，且与设于单元正面l型榫头相对应，并与l型榫头相抵接，从而实现与正面的相应榫头或榫眼进行互锁；

25、所述防声挡板设于聚焦结构单元的矩形空洞外侧壁的不同位置处，用于减少从单元内部向外部的声音传播，增强整体结构的隔音效能；

26、所述不同组合方式的聚焦结构单元相互拼接后，其内部形成的矩形空洞通道呈相互交错的锯齿结构。

27、所述结构主体的单元正面和单元背面分别作为单一的聚焦结构单元连接于声聚焦材料系统的首尾两端，形成声聚焦材料系统的堵头。

28、所述按照设定放置要求为：任意相邻两个所述聚焦结构单元的距离不超过

29、在x—y坐标系中放置多个声聚焦材料，使通过每个声聚焦材料的声波在聚焦点都保持相同相位，具体为：

30、(1)选取某一结构的聚焦结构单元，将该聚焦结构单元的左下角边缘放置于(x1，0)；

31、设该聚焦结构单元l延迟声波的长度为l1，则声波从首个聚焦结构单元底部进入，传播到聚焦点的声程为：

32、其中，为相位，h为外壳高度，w为外壳宽度，n是自然数；

33、(2)选取另一种结构的聚焦结构单元，放置在上一个聚焦结构单元右侧同轴位置，且距离间隔满足传递要求距离内；

34、声波通过步骤(2)中的聚焦结构单元时，传播到聚焦点的声程为：

35、

36、当入射声波的相位一致时，通过步骤(1)和步骤(2)两个聚焦结构单元的声波在聚焦点保持一致的相位；

37、(3)再选取若干聚焦结构单元，依次放置于前一个聚焦结构单元的右侧，并保证每两个聚焦结构单元之间的距离满足传递要求距离内；

38、声波通过每个聚焦结构单元传播到聚焦点的声程为：

39、

40、当入射声波的相位一致时，通过每个聚焦结构单元的声波在聚焦点都保持相同相位；

41、(4)y轴右侧聚焦结构单元摆放完毕后，再以y轴为对称轴，在y轴左侧镜像摆放数量、位置一致的聚焦结构单元；

42、当同时入射的声波相位一致时，通过每个聚焦结构单元的声波在聚焦点都保持相同相位；

43、每个所述聚焦结构单元底部传入的声波为频率相同、相位一致的声波，且聚焦的声波频率不低于500hz。

44、本发明具有以下有益效果及优点：

45、1.本发明通过对每一个聚焦材料的位置和锯齿数量进行设计，确保全部通过聚焦材料的声波在聚焦点处相位一致，最大化地实现精确聚焦。

46、2.本发明可根据需要，在x方向和y方向调节聚焦焦点位置。

47、3.本发明通过声聚焦结构单元设计，提高了系统的灵活性和适用性，降低了系统的制造成本和复杂性。

48、4.本发明实施简单，制备方便，可利用3d打印方式制备聚焦材料单元，成本低廉。

49、5.本发明可以应用于多种场合和环境，聚焦的声波可以是超声波，也可以是人耳可听的声波。