1.本发明属于声学测控领域，涉及一种基于梯度折射率调控的三维多功能声学透镜及其实现方法。


背景技术：

2.声学梯度折射率(grin)透镜是一种特殊的声学超结构，因其折射率在介质中的空间分布状态不断变化，可改变声束的传播路径，并具有衍射极限以下的超声成像等应用潜力，为医疗器械、秘密通信、声学检测等领域提供了无限可能。2018年专利“一种局域共振型声学超材料聚焦透镜”利用了声子晶体局域共振的基本原理结合了一种新的结构形式，可以在空气或水等多种介质中实现良好的和中低宽频声波聚焦效果。2019年专利“一种基于声学共振超表面的宽带聚焦透镜”根据不同的共振结构单元的组合方式和共振结构单元的结构尺寸对透射波相位进行调控，实现透镜在不同位置处的聚焦，然后提取和处理聚焦平面上的声压强度，分析所述透镜的宽带聚焦特性。然而，尽管声学透镜具有新型而奇异的特性，但目前大多数声学透镜实现全部为二维透镜，声学性能依赖于复杂的几何阵列结构，制造难度大，且结构确定后性能即固定，制约了器件的实际应用。
3.本发明提出一种单纯依靠材料折射率梯度变化的三维曲面声学透镜，采用层状简单结构，不同折射率片段组成曲面壳结构，基于温敏水凝胶材料相态与曲面壳体折射率的映射关系，通过调控材料温度改变梯度折射率分布状态，实现声波传播路径的操控，形成可调切换的多功能波形转换声学器件。


技术实现要素：

4.本发明所要解决现有的声学透镜结构一旦确定，功能即确定的问题(即只对单一功能的声学现象)，提出一种利用可调谐温敏水凝胶材料实现曲面梯度折射率声学透镜的新技术。当曲面声学透镜的不同温敏水凝胶温度呈梯度规律时，可以实现不同功能的声学透镜，并且可以重复实现；此外，不同于以往声学透镜依靠几何阵列结构渐变的方式，该曲面声学透镜通过提供偏置电压的电路方式调节材料折射率，具有调试简单，便于操作，实现成本低的特点。
5.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种基于梯度折射率调控的三维多功能声学透镜，所述的梯度折射率曲面声学透镜包括 10个温敏水凝胶片段i和9个橡胶薄膜ii，10个不同声学折射率的温敏水凝胶片段i按照梯度变化规律排布，每两层温敏水凝胶片段i之间添加一个橡胶薄膜ii，并采用耐低温胶粘贴在一起组成曲面声学透镜。其中，橡胶薄膜ii用于阻隔每两片温敏水凝胶片段i之间的热量传递。
7.所述的温敏水凝胶片段i是由含水量65％的琼脂糖溶液注入3d打印的模具中凝固而成，温敏水凝胶片段i折射率与温度相关，通过物理降温可控制温敏水凝胶片段i的折射
率。
8.一种基于梯度折射率的三维多功能曲面声学透镜的实现方法，包括以下方法步骤：
9.第一步，设计多功能曲面声学透镜
10.曲面声学透镜主要由10个温敏水凝胶片段i和9个橡胶薄膜ii按规律排布而成，10个温敏水凝胶片段i的声学折射率沿透镜中心轴向呈现梯度变化。所述温敏水凝胶片段i包括方形底板1与9个圆环形梯度曲面壳体2
‑
10，底板1中间设有一个圆形孔洞，孔洞半径ρ0；所述曲面壳体2
‑
10分别为不同尺寸的梯度圆环薄层，半径沿透镜轴向逐渐减小，各层层高相同，9个圆环壁厚相同；所述底板1厚度与曲面壳体2
‑
10厚度相同；所述相邻温敏水凝胶片段i之间均加入一层用于隔热的橡胶薄膜ii，橡胶薄膜ii厚度远小于圆环壁厚。
11.所述的曲面声学透镜能够实现不同的声学功能，包括隐身、聚焦和波前变换。其中，曲面声学透镜不同声学功能的梯度折射率分布n(ρ)由表1给出，其中，n
b
表示为温敏水凝胶片段i含水量最低状态下相对于水的声学折射率，ρ为曲面壳体2
‑
10的圆环半径。
12.表1.不同声学功能的梯度折射率分布
[0013][0014]
第二步，透镜选材及制备
[0015]
2.1)采用琼脂糖在水中聚合而成的温敏水凝胶材料制备曲面声学透镜，材料声速对温度具有强依赖性，声学折射率与声速二者之间的关系为：
[0016][0017]
其中，c0为水声速，v为温敏水凝胶材料声速，n为温敏水凝胶相对于水的声学折射率。
[0018]
2.2)当温度降低时，温敏水凝胶中的自由水冻结导致声速升高，引起材料声速改变，促使声学折射率发生变化，反之亦然。首先，预先将含水量为65％的温敏水凝胶用液氮进行低温冷却至
‑
30℃；然后，在温敏水凝胶材料侧壁粘贴温度传感器；最后，停止液氮喷射，在20℃室温环境下，实时测量温敏水凝胶材料升温过程中的声速，并采用最小二乘法对超声声速曲线进行拟合，获得准确的材料参数，拟合公式为：
[0019]
v＝0.6937t2‑
12.782t+2054.1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0020]
其中，t为温度，v为温敏水凝胶材料声速。
[0021]
2.3)根据公式(1)和(2)即可计算出温敏水凝胶片段i表面的温度与其声学折射率的对应关系。
[0022]
2.4)组装曲面声学透镜：利用3d打印制作一个rinehart曲面的分层模具，用于固定温敏水凝胶的形状。将琼脂糖介质放入蒸馏水中置于加热台加热至50℃，搅拌均匀，得到含水量为65％的均质水凝胶溶液。在室温环境下，将水凝胶溶液注入3d打印的模具中等待冷却。待水凝胶溶液成凝胶状后将其从模具中剥离出来，得到不同温敏水凝胶片段i。
[0023]
利用电路提供偏置电压，对曲面声学透镜不同温敏水凝胶片段i的温度、声学折射
率进行精确控制：首先，将温敏水凝胶片段i进行降温处理后，在每个温敏水凝胶片段i的内表面上粘贴多个导电电极片，并将温敏水凝胶片段i预先放在恒定
‑
35℃环境中。其次，导通导电电极片，当电流通过导电电极片时，加热温敏水凝胶片段i，产生的焦耳热导致温敏水凝胶材料改变其结构中结合水的状态，改变温敏水凝胶片段i材料声速。最后，根据步骤2.3)确定的温敏水凝胶片段i温度与其声学折射率的对应关系，由温敏水凝胶片段i温度精确控制每个温敏水凝胶片段i的声速，进而由公式(1)、公式(2)控制声学折射率等其他参数。该过程中，根据声学透镜功能不同，处理温度不同。
[0024]
待不同温敏水凝胶片段i实现特定声速特性后，将温敏水凝胶片段i与橡胶薄膜ii按圆环内径从大到小组装在一起，相邻的温敏水凝胶片段i与橡胶薄膜ii利用耐低温胶粘在一起，得到曲面声学透镜。
[0025]
第三步，进行实验平台搭建与测试
[0026]
3.1)将第二步组装好的曲面声学透镜直接放置在水箱14中，水箱14内的水深为5mm，此情况下，声学透镜中仅底板1四周与水直接接触，梯度曲面壳体2
‑
10形成的曲面位于水面上方，即曲面声学透镜的曲面壳体2
‑
10的上下表面与水域隔绝。
[0027]
3.2)建立测试坐标系，以曲面声学透镜在z轴方向最高点在底板1的垂直投影坐标为原点，以底板1较长的边为x方向，曲面声学透镜的右侧为正向(实验规定曲面声学透镜的右侧为声压数值测试区域)，以底板1较短的边为y方向。
[0028]
3.3)将超声换能器11放置在水箱14中，中心位置坐标为(
‑
0.15，0，0)(单位为米)，用于产生曲面声学透镜左侧的声波波源。将直线滑轨16架于水箱14上方，与y方向平行，且位于曲面声学透镜与水箱14边缘之间，在直线滑轨16上方安装滑块a17、b18，其中滑块 a17固定不动，与曲面声学透镜在
‑
y方向的边缘对齐，滑块b18安装在滑块a17的+y方向一侧。
[0029]
3.4)为得到瞬时声压分布状态，采用水听器a12、b13同时测量。将水听器a12、b13 的电缆分别固定在滑块a17、b18上，同时与上位机15连接，进行信号采集与分析，水听器 a12、b13的测头与曲面声学透镜底板1在z方向平齐。测试过程中，滑块a17与水听器a12 保持不动，水听器a12采集的信号作为参考信号，滑块b18带动水听器b13沿直线滑轨16 移动，移动轨迹l1的长度与曲面声学透镜的宽度相同，每隔2mm进行1次透射声压信号采集。将获得的声压信号进行平滑去噪处理，参考水听器a12采集的声压信号，计算水听器 a12与水听器b13的信号相位差，绘制瞬时声压强度分布曲线。
[0030]
本发明的有益效果是：
[0031]
本发明设计了依靠材料折射率梯度变化的曲面声学透镜，采用层状简单结构，简化三维声学透镜的几何结构；提出了温敏水凝胶材料声学折射率的温度控制方法，建立温度与声学折射率的映射关系，实现声学折射率的准确可控；建立了不同功能的声学透镜折射率分布模型，包括隐身、聚焦和波前变换功能，不同温度控制下的温敏水凝胶材料形成可调切换的多功能波形转换声学器件。通过实验平台的搭建与声压测试，获得相应的声压曲线，验证曲面声学透镜作用，方法可靠性高。
附图说明
[0032]
图1(a)为基于梯度折射率的曲面声学透镜结构图，图1(b)为曲面声学透镜的剖面图，其中：a为温敏水凝胶片段ⅰ的层高距离，b为橡胶薄膜ii的层高距离，c为底板厚度。
[0033]
图2为本发明提供的基于梯度折射率的三维多功能声学透镜实验场景图，其中：l1
‑
移动轨迹。
[0034]
图3为声学斗篷测试分析图。
[0035]
图4为吕内堡透镜测试分析图。
[0036]
图5为聚焦声学透镜声压测试分析图。
[0037]
图中：ⅰ温敏水凝胶片段，ⅱ橡胶薄膜，1底板，2
‑
10曲面壳体，11超声换能器，12水听器a，13水听器b，14水箱，15上位机，16直线滑轨，17滑块a，18滑块b。
具体实施方式
[0038]
结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式。
[0039]
一种基于梯度折射率调控的三维多功能声学透镜，所述的梯度折射率曲面声学透镜包括 10个温敏水凝胶片段i和9个橡胶薄膜ii，10个不同声学折射率的温敏水凝胶片段i按照梯度变化规律排布，每两层温敏水凝胶片段i之间添加一个橡胶薄膜ii，并采用耐低温胶粘贴在一起组成曲面声学透镜。
[0040]
采用以下实施例说明基于梯度折射率的三维多功能声学透镜构建与效果测试过程。
[0041]
第一步，多功能曲面声学透镜设计：
[0042]
曲面声学透镜主要温敏水凝胶片段i和橡胶薄膜ii按圆环半径排布而成，不同温敏水凝胶片段i的圆环半径沿透镜轴向逐渐减小，其声学折射率沿透镜中心轴向呈现梯度变化。温敏水凝胶片段i包括底板1与梯度曲面壳体2
‑
10构成。底板1形状为长方体，长为400mm，宽为300mm，壁厚为4mm，底板1中间有一个圆形孔洞，孔洞半径ρ0＝100mm。曲面壳体2
‑
10 分别为不同尺寸的梯度圆环薄层，层高a均为6.8mm，圆环壁厚均为4mm，圆环梯度尺寸分布如表2所示。在相邻的温敏水凝胶片段i之间均加入了一层橡胶薄膜ii用于隔热，厚度b 为0.5mm。
[0043]
表2.温敏水凝胶片段i中曲面壳体2
‑
10的圆环梯度尺寸
[0044]
温敏水凝胶片段i2345678910上圆环外径(mm)99.597.794.589.582.5736039
‑
下圆环外径(mm)10099.497.694.489.382.372.859.738.7
[0045]
第二步，透镜选材及制备：
[0046]
2.1)利用3d打印工艺制作一个rinehart曲面的分层模具，用于固定温敏水凝胶的形状。将琼脂糖介质放入蒸馏水中置于加热台加热至50℃，搅拌均匀，得到含水量为65％的均质水凝胶溶液。在室温环境下，将水凝胶溶液注入3d打印的模具中等待冷却。待水凝胶溶液成凝胶状后将其从模具中剥离出来，得到温敏水凝胶片段i的底板1与梯度曲面壳体2
‑
10。
[0047]
2.2)为实现曲面声学透镜实现隐身功能，首先根据表1与表2计算梯度折射率分布，结合公式(1)，其中水声速c0为1500m/s，计算温敏水凝胶片段i中底板1与曲面壳体2
‑
10的声速分布，如表3所示：
[0048]
表3.实现隐身功能的温敏水凝胶片段i的声速分布
[0049][0050]
2.3)将温敏水凝胶片段i中底板1与曲面壳体2
‑
10的声速分布带入公式(2)，计算温敏水凝胶片段i中底板1与曲面壳体2
‑
10的控制温度如图4所示。首先，将温敏水凝胶片段i 预先放在恒定
‑
35℃环境中直至温度平衡；其次，在每个温敏水凝胶片段i的内表面上粘贴多个导电电极片；最后导通导电电极片，当电流通过导电电极片时，加热温敏水凝胶片段i，产生的焦耳热导致温敏水凝胶材料改变其结构中结合水的状态，改变温敏水凝胶片段i材料声速。
[0051]
表4.实现隐身功能的温敏水凝胶片段i的温度分布
[0052]
温敏水凝胶片段i12345678910温度/℃0
‑3‑
7.5
‑
13.5
‑
15
‑
17.5
‑
19
‑
21
‑
23
‑
26
[0053]
2.4)待不同温敏水凝胶片段i实现特定声速特性后，将温敏水凝胶片段i与橡胶薄膜ii 按圆环内径从大到小组装在一起，相邻的温敏水凝胶片段i与橡胶薄膜ii利用耐低温胶粘在一起，得到曲面声学透镜。
[0054]
第三步，进行实验平台搭建与测试
[0055]
3.1)将第二步组装好的曲面声学透镜直接放置在水箱14中，水箱14内的水深为5mm，此情况下，声学透镜中仅底板1四周与水直接接触，梯度曲面壳体2
‑
10形成的曲面位于水面上方，即曲面声学透镜的曲面壳体2
‑
10的上下表面与水域隔绝。采用半径为50mm，高度为 10mm的圆柱形钢块模拟障碍物，放置于曲面声学透镜内部中心处。
[0056]
3.2)建立测试坐标系，以曲面声学透镜在z轴方向最高点在底板1上的垂直投影坐标为原点，以底板1较长的边为x方向，曲面声学透镜的右侧为正向，以底板1较短的边为y方向。
[0057]
3.3)将超声换能器11放置在水箱14中，中心位置坐标为(
‑
0.15，0，0)(单位为米)，用于产生曲面声学透镜左侧的声波波源。将直线滑轨16架于水箱14上方，位于曲面声学透镜的x向边界与水箱14边缘之间，与y方向平行，上方安装滑块a17、b18，其中滑块a17 固定不动，与曲面声学透镜在
‑
y方向的边缘对齐，滑块b18安装在滑块a17的+y方向一侧。
[0058]
3.4)为得瞬时声压分布状态，采用水听器a12、b13同时测量。将水听器a12、b13的电缆分别固定在滑块a17、b18上，同时与上位机15连接，进行信号采集与分析，水听器 a12、b13的测头与曲面声学透镜底板1沿z方向平齐。测试过程中，滑块a17与水听器a12 保持不动，滑块b18带动水听器b13沿直线滑轨16移动，移动轨迹l1的长度与曲面声学透镜的宽度相同，每隔2mm进行1次透射声压信号采集。将获得的声压信号进行平滑去噪处理，以水听器a12采集的参考声压信号，计算水听器a12与水听器b13的信号相位差，绘制瞬时声压强度分布曲线。无曲面声学透镜时轨迹l1的声压在y轴
‑
0.1至0.1m区间呈现随机性且声压较低，相位分布无规律；有曲面声学透镜时轨迹l1的声压分布在y轴
‑
0.1至0.1m区间呈现规律变化，相位分布由
‑
π到π之间呈现平滑曲线，符合柱面波的相位特性，证明了曲面声学透镜的隐身功能。
[0059]
第四步，多功能曲面声学透镜的其他功能论证分析
[0060]
为测试曲面声学透镜的波前变换功能，重复第二步的透镜制备过程，将上文计算
的折射率公式代入公式(1)和(2)，温敏水凝胶片段i声速统一控制在0℃。重复第三步的实验测试过程。测试曲线如图4所示，其中无曲面声学透镜时轨迹l1的声压在y轴
‑
0.1至0.1m区间呈现规律变化，相位分布由
‑
π到π之间呈现平滑曲线，符合柱面波的相位特性；有曲面声学透镜时轨迹l1的声压分布在y轴
‑
0.1至0.1m区间较为平均，相位分布一致，符合平面波的相位特性，证明了曲面声学透镜的波前转换功能。
[0061]
为验证曲面声学透镜的聚焦功能，重复第二步的透镜制备过程，曲面声学透镜实现聚焦功能对不同温敏水凝胶片段i的温度要求如下：
[0062]
表5.实现聚焦功能的温敏水凝胶片段i的温度分布
[0063]
温敏水凝胶片段i12345678910温度/℃
‑
26
‑
25.7
‑
25
‑
23
‑
22.5
‑
21.3
‑
18
‑
13.8
‑
8.30
[0064]
重复第三步的实验测试过程，验证聚焦功能的实现效果。测试曲线如图5所示，无曲面声学透镜时轨迹l1的声压在y轴
‑
0.1至0.1m区间呈现规律变化，符合柱面波的相位特性；有曲面声学透镜时轨迹l1的声压分布在y轴
‑
0.05至0.05m区间明显集中，且高于l1上柱面波的声压幅值，证明了曲面声学透镜的聚焦功能。
[0065]
综上所述，本发明提供一种基于梯度折射率的三维多功能声学透镜，可以通过电路温控的方式改变不同层温敏水凝胶片段i的折射率和声速，提供一种实现可调谐的三维多功能声学透镜的装置与实现方法，系统具有调试简单，便于操作，实现成本低的特点。
[0066]
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。