一种超声穿透固体像差层的声学超表面结构的设计制作方法

本发明属于声学信号传输的，具体涉及一种超声穿透固体像差层的声学超表面结构的设计制作方法。

背景技术：

1、在无损管道检测和医学经颅超声等领域，超声波需要由流体介质跨固体介质进行传输。然而，由于空气及水与固体结构（如设备外壳、生物骨骼）之间存在巨大的声阻抗差异，声波在跨越界面时会发生强烈反射，导致透射能量极低，同时利用超声相控阵对波前进行调制成本昂贵。此外，实际探测环境中往往存在弯曲的固体层，使得传统声学设备难以针对特定弯曲界面实施。

2、因此，如何同时打破巨大的声阻抗屏障并提供自由波前调制，实现声波由空气穿透弯曲固体到水中的高效增强透射与精准聚焦，是当前声学工程领域亟待解决的一项关键技术难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种超声穿透固体像差层的声学超表面结构的设计制作方法，针对已有的弯曲固体像差层，以声波在空-固-水传输场景下的透射效率和透射相位为优化目标，采用拓扑优化的方式逆向设计具有特定相位且具有完美透射效果的二维超表面单元，通过将二维超表面拉伸最终获得四个具有π/2相位差且有高透效果的三维单元；针对弯曲固体层通过设计相应的基底，利用基底的下侧对弯曲固体实现完美贴合，将四个三维单元根据相位编码理论排列在基底的上侧平面上，形成最终的声学超表面。将设计的声学超表面完美贴合在原有固体像差层表面，可实现声波跨弯曲固体像差层高效传输和三维聚焦，实验上观测到焦点的幅度增强25 db。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种超声穿透固体像差层的声学超表面结构的设计制作方法，包括如下步骤：

4、步骤（1）、确定所需要实现的声波在空气中的频率，并根据计算出该声波频率下声波波长，确定基底厚度和固体像差层厚度，以及其材料属性；

5、步骤（2）、根据确定的声波波长和固体屏障层厚度确定声学超表面单元结构的尺寸，该结构外形为矩形，其宽度为，高度为，结构内部均匀划分成边长为的像素点，则宽度方向像素点个数m = a / s，宽度方向像素点个数n = b / s，可取s = 0.7 mm，m =22，n = 12；

6、步骤（3）、采用拓扑优化的方式，以声波在透射场采样得到的透射效率和透射相位为优化目标，通过对划分的每个像素点赋予不同的材料参数，然后计算单个声学超表面单元在周期边界条件下声波从一侧空气经过固体屏障层传播到另一侧水的透射率和透射相位；

7、步骤（4）、运用计算机程序，重复执行步骤（3），不断调整声学超表面单胞结构中若干个像素点的材料参数分布，不断迭代，使得计算得到的声波从一侧空气经过固体像差层传播到另一侧水的透射率接近为100 %且具有指定的透射相位，从而获得最佳的材料参数分布即为声学超表面二维单元结构；

8、步骤（5）、将获得的二维单元拓扑构型拉伸，并在拉伸方向使单元之间存在宽度为2的空气间隙，以减小单元之间的相互耦合；在仿真中计算三维单元的透射峰值、峰值频率和透射相位，由于间隙的存在，不同构型计算结果会发生不同程度偏移，若无法达到既定要求，则重新优化对应的二维拓扑构型；直到获得四个具有相同峰值频率和峰值频率下相互之间具有π/2相位差的三维超表面单元，并将其进行编码“00”“01”“10”和“11”；

9、步骤（6）、针对弯曲固体像差层，获取其曲面几何方程，设计与之互补的基底使其完美贴合在像差层上，将编码的三维单元按照基于费马原理的相位编码理论排布于基底的上侧，最终一体打印可获得完整的声学超表面。

10、进一步地，采样计算的透射效率由声场两侧采样得到的复声压计算得到，分别在入射场和透射场采集复声压和，则透射效率表示为，透射相位表示为，在优化过程中不断调整单元体构型，以实现设定的目标透射相位以及接近100%的透射效率。

11、进一步地，所述的材料参数，选用的是超表面单胞、固体屏障层和气体部分的三种材料，其中超表面单胞和固体屏障层可选择为环氧树脂，气体材料可选用空气，但不限于上述两种材料参数的选择，根据目标要求选用不同材料赋予超表面单胞和固体屏障层进行拓扑优化设计。

12、进一步地，对超表面单元优化过程中，为方便后续加工和保证实际效果的有效性，会设置一些约束条件，例如设置单元两侧最外一排的像素点均为空气以减小单元之间的相互耦合，要求超表面单胞结构左右对称，内部直角结构圆角化等，但不限于上述约束设置。

13、进一步地，所述材料参数分布中固体材料对应的超表面单元结构、基底结构和固体像差层结构在拓扑优化过程中需要考虑为弹性体，同时需要考虑空气声与结构体之间的相互作用，结构体振动在实现声波跨固体像差层高效传输和相位偏移中起着重要作用。

14、进一步地，针对在透射区域所要实现的功能，需要反推被编码2-bit三维超表面单元在基底上侧的排布，通过特定位置的编码单元以提供对应的相位；理论上，由于三维单元四周均有空气间隙，相互之间的弱耦合可实现目标透射波前的塑造。

15、上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：

16、本发明将声学超表面概念用于解决非接触医疗超声领域中经颅超声反射严重且波场塑造困难的问题，以声波由空气跨固体像差层进入水中的传输效率和透射相位为优化目标，采用拓扑优化的方式逆向设计一种声学超表面，该声学超表面由一个可以完美贴合曲面固体像差层的基底结构和四个具有完美传输效果且相互之间透射相位相差π/2的三维单元组成；将设计的声学超表面紧贴放置在弯曲固体像差层表面，即可同时实现声波跨气-固-液多层介质高效透射和三维波场塑造；本发明提供的声学超表面结构及设计装配方法，设计方式简单，结构体可以采用3d打印方式制作，针对目标固体像差层灵活调整超表面单元结构与材料，极大地简化设计流程和制作方式；针对特定弯曲像差层灵活调整基底的形状与之完美贴合，极好地应对弯曲结构；针对不同透射区域三维波场功能灵活调节2-bit三维单元在基底上侧的排布，极大减小相控阵探头的制作成本，面向无损探伤、医疗检测等领域具有重要的应用价值。

1.一种超声穿透固体像差层的声学超表面结构的设计制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种超声穿透固体像差层的声学超表面结构的设计制作方法，其特征在于：

3.如权利要求1所述的一种超声穿透固体像差层的声学超表面结构的设计制作方法，其特征在于：

4.如权利要求1所述的一种超声穿透固体像差层的声学超表面结构的设计制作方法，其特征在于：

5.如权利要求1所述的一种超声穿透固体像差层的声学超表面结构的设计制作方法，其特征在于：

6.如权利要求1-5任意一项所述的一种超声穿透固体像差层的声学超表面结构的设计制作方法，其特征在于：