本發(fā)明涉及聲學(xué)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種聲學(xué)超表面和聲波聚焦裝置。

背景技術(shù)：

近年來，隨著各種聲學(xué)器件的層出不窮，僅僅使用傳統(tǒng)材料的聲學(xué)特性已經(jīng)不能滿足聲學(xué)器件的發(fā)展需求了，進(jìn)而聲學(xué)超表面(超材料)越來越多的出現(xiàn)在聲學(xué)器件制造技術(shù)領(lǐng)域，聲學(xué)超表面具有特殊的聲學(xué)特性，聲學(xué)超表面能夠滿足利用亞波長的厚度的薄表面來達(dá)到對聲波的調(diào)控，但是現(xiàn)有的聲學(xué)超表面的結(jié)構(gòu)組成單元無法做到使入射聲波的產(chǎn)生的相位延遲的差值變化保持一致，進(jìn)而不能夠更加有效、靈活的進(jìn)行對入射聲波的調(diào)控。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種聲學(xué)超表面和聲波聚焦裝置，以解決上述問題。

第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種聲學(xué)超表面，該聲學(xué)超表面包括：

多個(gè)第一結(jié)構(gòu)單元和多個(gè)第二結(jié)構(gòu)單元，多個(gè)所述第一結(jié)構(gòu)單元與多個(gè)所述第二結(jié)構(gòu)單元相互連接且位于同一平面上，所述第一結(jié)構(gòu)單元與所述第二結(jié)構(gòu)單元的出射聲波的相位延遲差為180度，所述第一結(jié)構(gòu)單元與所述第二結(jié)構(gòu)單元對入射聲波具有相同的透射率；

所述第一結(jié)構(gòu)單元和所述第二結(jié)構(gòu)單元分別包括：上平板、下平板、第一側(cè)壁和第二側(cè)壁，所述上平板與下平板之間通過第一側(cè)壁和第二側(cè)壁連接為一體式結(jié)構(gòu)，所述上平板的下表面上均勻設(shè)置有多個(gè)矩形凸起；

所述上平板上的兩個(gè)相鄰的矩形凸起的中間設(shè)置有第一縫隙，所述下平板上對應(yīng)于兩個(gè)相鄰的矩形凸起的中間位置設(shè)置有第二縫隙；

所述第一結(jié)構(gòu)單元的所述第一縫隙與所述第二縫隙之間間隔有一個(gè)所述矩形凸起；

所述第二結(jié)構(gòu)單元的所述第一縫隙與所述第二縫隙之間間隔有三個(gè)所述矩形凸起。

結(jié)合第一方面本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第一種可能的實(shí)施方式，其中：

所述上平板上均勻設(shè)置有五個(gè)矩形凸起，以使所述第一結(jié)構(gòu)單元和所述第二結(jié)構(gòu)單元形成六空腔式結(jié)構(gòu)。

結(jié)合第一方面的第一種可能的實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施例還提供了第一方面的第二種可能的實(shí)施方式，其中：

所述上平板上均勻設(shè)置有三個(gè)矩形凸起，以使所述第一結(jié)構(gòu)單元和所述第二結(jié)構(gòu)單元為四空腔式結(jié)構(gòu)。

結(jié)合第一方面，本發(fā)明實(shí)施里提供了第一方面的的第三種可能的實(shí)施方式，其中：

所述第一結(jié)構(gòu)單元與所述第二結(jié)構(gòu)單元的尺寸相同，所述第一結(jié)構(gòu)單元的上平板厚度、下平板厚度、矩形凸起的尺寸、第一縫隙寬度、第二縫隙寬度分別與所述第二結(jié)構(gòu)單元的上平板厚度、下平板厚度、矩形凸起的尺寸、第一縫隙寬度、第二縫隙的寬度對應(yīng)相同。

結(jié)合第一方面，本發(fā)明實(shí)施里提供了第一方面的第四種可能的實(shí)施方式，其中：

所述第一結(jié)構(gòu)單元與所述第二結(jié)構(gòu)單元的垂直于所述第一縫隙的截面長度為l，所述第一結(jié)構(gòu)單元與所述第二結(jié)構(gòu)單元的總厚度、上平板厚度、下平板厚度、第一縫隙的寬度與第二縫隙的寬度以及矩形凸起的尺寸均與所述長度l呈比例關(guān)系。

結(jié)合第一方面的第一種可能的實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第五種可能的實(shí)施方式，其中：

所述第一結(jié)構(gòu)單元與所述第二結(jié)構(gòu)單元的垂直于所述第一縫隙的截面長度為l，所述第一結(jié)構(gòu)單元的總厚度和所述第二結(jié)構(gòu)單元的總厚度h均為：h＝6l/31，所述上平板與所述下平板的厚度h為：h＝5l/124；所述第一縫隙與所述第二縫隙的寬度w為：w＝l/31；所述矩形凸起的寬度a為：a＝2l/31，所述矩形凸起的高度b為b＝3l/31。

結(jié)合第一方面的第五種可能的實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第六種可能的實(shí)施方式，其中：

所述兩個(gè)矩形凸起之間間距p為：p＝5l/31。

結(jié)合第一方面的第二種可能的實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第七種可能的實(shí)施方式，其中：

所述第一結(jié)構(gòu)單元與所述第二結(jié)構(gòu)單元的垂直于所述第一縫隙的截面長度為l，所述第一結(jié)構(gòu)單元的總厚度h和所述第二結(jié)構(gòu)單元的總厚度h均為：h＝2l/7；所述上平板的厚度h與所述下平板的厚度h為：h＝5l/84；所述第一縫隙與所述第二縫隙的寬度w為：w＝1l/21；所述矩形凸起的寬度a為：a＝2l/21，所述矩形凸起的高度b為b＝3l/21。

結(jié)合第一方面的第七種可能的實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第八種可能的實(shí)施方式，其中：

所述兩個(gè)矩形凸起之間間距p為：p＝5l/21。

第二方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種聲波聚焦裝置，包括上述任一可能的實(shí)現(xiàn)方式中所述的聲學(xué)超表面，所述裝置包括中心部分和外圍部分，所述聲學(xué)超表面的多個(gè)第二結(jié)構(gòu)單元連接構(gòu)成所述裝置的中心部分，所述聲學(xué)超表面的第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元間隔排列構(gòu)成所述裝置的外圍部。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種聲學(xué)超表面和聲波聚焦裝置，聲學(xué)超表面由第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元組成，由于第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元的空腔和縫隙結(jié)構(gòu)，使得第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元的入射聲波的相位延遲差為180度，由該第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元組成的超表面能夠?qū)Σ煌肷渎暡ǖ南辔贿M(jìn)行調(diào)節(jié)，在不同的排布方式下，第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元對入射聲波的反射相位隨之不同，可以通過設(shè)置不同的排布方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)行對聲波更有效的調(diào)控，比如聲波的定向輻射，聚焦等等。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實(shí)施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1a示出了本發(fā)明實(shí)施例一所提供的一種聲學(xué)超表面的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1b示出了本發(fā)明實(shí)施例一所提供的一種聲學(xué)超表面的第一結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1c示出了本發(fā)明實(shí)施例一所提供的一種聲學(xué)超表面的第二結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a示出了本發(fā)明實(shí)施例一所提供的第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元對入射聲波的透射率的關(guān)系示意圖；

圖2b示出了本發(fā)明實(shí)施例一所提供的第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元對入射聲波的相位差的示意圖；

圖2c示出了本發(fā)明實(shí)施例一所提供的第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元的速度場vy分布圖；

圖2d示出了本發(fā)明實(shí)施例一所提供的第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元的速度場vx分布圖；

圖2e示出了本發(fā)明實(shí)施例一所提供的四空腔式結(jié)構(gòu)的第一縫隙與第二縫隙的位置示意圖；

圖2f示出了本發(fā)明實(shí)施例一所提供的六空腔式結(jié)構(gòu)的第一縫隙與第二縫隙的位置示意圖；

圖2g示出了本發(fā)明實(shí)施例一所提供的四空腔式結(jié)構(gòu)的第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元對入射聲波的透射率的關(guān)系示意圖；

圖2h示出了本發(fā)明實(shí)施例一所提供的四空腔式結(jié)構(gòu)的第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元的入射聲波的相位的關(guān)系示意圖；

圖3a示出了本發(fā)明實(shí)施例一所提供的一種第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元的不同排布方式產(chǎn)生的效應(yīng)示意圖；

圖3b示出了本發(fā)明實(shí)施例一所提供的另一種第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元的不同排布方式產(chǎn)生的效應(yīng)示意圖；

圖3c示出了本發(fā)明實(shí)施例一所提供的另一種第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元的不同排布方式產(chǎn)生的效應(yīng)示意圖；

圖4示出了本發(fā)明實(shí)施例二所提供的一種聲波聚焦裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖標(biāo)記：10-第一縫隙；20-上平板；30-矩形凸起；40-下平板；50-第二縫隙；60-第一結(jié)構(gòu)單元；70-第二結(jié)構(gòu)單元；80-第一側(cè)壁；90-第二側(cè)壁。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實(shí)施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計(jì)。因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

目前，聲學(xué)超表面越來越多的被應(yīng)用到聲學(xué)器件的制造領(lǐng)域中，聲學(xué)超表面是一種有著某種特殊的聲學(xué)性質(zhì)、不同于普通材料的實(shí)體，現(xiàn)有的聲學(xué)超表面的結(jié)構(gòu)組成單元無法做到使入射聲波的相位延遲差的變化保持一致，進(jìn)而不能夠更加有效、靈活的進(jìn)行對聲波的調(diào)控；基于此，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種聲學(xué)超表面和聲波聚焦裝置。

下面通過具體實(shí)施例進(jìn)行對本發(fā)明的詳細(xì)介紹；

實(shí)施例一

參照圖1a所示的實(shí)施例，本實(shí)施例中提供了一種聲學(xué)超表面，該聲學(xué)超表面包括：多個(gè)第一結(jié)構(gòu)單元60和多個(gè)第二結(jié)構(gòu)單元70，該多個(gè)第一結(jié)構(gòu)單元與該多個(gè)第二結(jié)構(gòu)單元相互連接，可以進(jìn)行任意排列，位于同一個(gè)平面上，進(jìn)一步的該第一結(jié)構(gòu)單元與第一結(jié)構(gòu)單元之間、第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元之間相互連接或者第二結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元之相互連接，所述的連接方式可以是粘接，該第一結(jié)構(gòu)單元60與第二結(jié)構(gòu)單元70的出射聲波的相位延遲差為180度；

參照圖1b和圖1c所示，第一結(jié)構(gòu)單元60和第二結(jié)構(gòu)單元70分別包括：上平板20、下平板40、第一側(cè)壁80和第二側(cè)壁90，第一側(cè)壁80位于第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元的左側(cè)，第二側(cè)壁90位于第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元的右側(cè)，第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元通過第一側(cè)壁和第二側(cè)壁連接成為一體式結(jié)構(gòu)，上平板的下表面上均勻設(shè)置有多個(gè)矩形凸起30；相鄰的兩個(gè)矩形凸起之間形成空腔；

上平板上的兩個(gè)相鄰的矩形凸起的中間位置設(shè)置有第一縫隙10，下平板上40對應(yīng)于兩個(gè)相鄰的矩形凸起之間設(shè)置有第二縫隙50；

第一結(jié)構(gòu)單元60的第一縫隙10與第二縫隙50之間間隔有一個(gè)矩形凸起30；

第二結(jié)構(gòu)單元70的第一縫隙10與第二縫隙50之間間隔有三個(gè)矩形凸起30；

第二縫隙為聲波入射縫隙，第一縫隙為聲波出射縫隙；上述第一結(jié)構(gòu)單元與上述第二結(jié)構(gòu)單元能夠使出射聲波的相位延遲差保持為180度。

本實(shí)施例中，第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元的上平板上均勻設(shè)置有五個(gè)矩形凸起，相鄰矩形凸起之間形成空腔，使得第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元為六空腔式結(jié)構(gòu)，參照圖1b所示，第一結(jié)構(gòu)單元60的第一縫隙10可以是設(shè)置于從左側(cè)起第三個(gè)矩形凸起與第四個(gè)矩形凸起之間的上平板上，第一結(jié)構(gòu)單元60的第二縫隙50位于對應(yīng)于從左側(cè)起的第二矩形凸起與第三矩形凸起之間的下平板40上，該第一縫隙與第二縫隙之間相隔了一個(gè)矩形凸起。

進(jìn)一步的，參照圖1c所示，上述第二結(jié)構(gòu)單元70的第一縫隙10位于上平板從左側(cè)起第三個(gè)矩形凸起與第四個(gè)矩形凸起之間，第二結(jié)構(gòu)單元70的第二縫隙50位于下平板上對應(yīng)于第一矩形凸起的左側(cè)。

上述第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元的第一縫隙的位置相同，上述第一結(jié)構(gòu)單元的第二縫隙與第二結(jié)構(gòu)單元的第二縫隙的位置不同，第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元在進(jìn)行排列時(shí)使第一結(jié)構(gòu)單元的第一縫隙與第二結(jié)構(gòu)單元的第一縫隙位于一條直線上；本實(shí)施例中，第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元具有相似的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得第一結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部與第二機(jī)構(gòu)單元內(nèi)部包含有同一種共振模式，同時(shí)設(shè)置使所述第一結(jié)構(gòu)單元與所述第二結(jié)構(gòu)單元采用具有相同折射率的材料，使第一結(jié)構(gòu)單元與所述第二結(jié)構(gòu)單元對入射聲波具有相同的透射率，進(jìn)而使得第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元的透射波具有一致的振幅，并且第一結(jié)構(gòu)單元的第二縫隙與第二結(jié)構(gòu)單元的第二縫隙位于下平板的不同位置，當(dāng)入射聲波進(jìn)入第二縫隙時(shí)具有相同的相位，當(dāng)從第一縫隙處出射時(shí)會(huì)有不同的相位，第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元使入射聲波的相位發(fā)生延遲，并且第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元使入射聲波出射時(shí)的相位延遲差為180度，克服了傳統(tǒng)超材料在帶寬下相位差變化不一致和振幅不一致的的缺點(diǎn)，進(jìn)而本發(fā)明實(shí)施例中所提供的聲學(xué)超表面相對于傳統(tǒng)超材料更具有實(shí)用性。

需要說明的是，上述僅為舉例說明，第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元的上平板上第一縫隙的位置不限于上述一種設(shè)置方式，相應(yīng)的，第二縫隙的位置也不是固定的，當(dāng)上平板上設(shè)置有五個(gè)矩形凸起時(shí)，第一結(jié)構(gòu)單元和第二機(jī)構(gòu)單元均為六空腔式結(jié)構(gòu)，第一結(jié)構(gòu)單元的第一縫隙和第二縫隙的位置只需要滿足使二者之間間隔有一個(gè)矩形凸起，第二結(jié)構(gòu)單元的第一縫隙和第二縫隙只需要滿足使二者之間間隔有三個(gè)矩形凸起；具有六空腔結(jié)構(gòu)的第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元的有益效果為：具有更一致的透射峰和相位差。

為使上述的超表面所達(dá)到的性能更為穩(wěn)定和更方便于對聲波的調(diào)控，設(shè)置使上述第一結(jié)構(gòu)單元與上述第二結(jié)構(gòu)單元的尺寸相同，第一結(jié)構(gòu)單元的上平板厚度與第二結(jié)構(gòu)單元的上平板厚度相同，上述第一結(jié)構(gòu)單元的下平板厚度與第二結(jié)構(gòu)單元的下平板厚度相同，上述第一結(jié)構(gòu)單元的矩形凸起的尺寸與第二結(jié)構(gòu)單元的矩形凸起的尺寸相同，上述第一結(jié)構(gòu)單元的第一縫隙寬度與第二結(jié)構(gòu)單元的第一縫隙寬度相同，上述第一結(jié)構(gòu)單元的第二縫隙寬度與第二結(jié)構(gòu)單元的第二縫隙的寬度相同；第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元首尾相連形成整個(gè)聲學(xué)超表面；

進(jìn)一步的，第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元的垂直于第一縫隙和第二縫隙的截面的長度為l，第一結(jié)構(gòu)單元總厚度、上平板厚度、下平板厚度、第一縫隙的寬度與第二縫隙的寬度以及矩形凸起的尺寸均與該長度l呈比例關(guān)系，相應(yīng)的，第二結(jié)構(gòu)單元的總厚度、上平板厚度、下平板厚度、第一縫隙的寬度與第二縫隙的寬度以及矩形凸起的尺寸也與上述長度l呈比例關(guān)系。

作為優(yōu)選的，上述第一結(jié)構(gòu)單元的總厚度h和第二結(jié)構(gòu)單元的總厚度h均為：h＝6l/31，上平板的厚度h與下平板的厚度h為：h＝5l/124；

上述第一縫隙與第二縫隙的寬度w為：w＝l/31；

進(jìn)一步的，上述矩形凸起的寬度a為：a＝2l/31，矩形凸起的高度b為b＝3l/31；

進(jìn)一步的，兩個(gè)矩形凸起之間間距(或者是兩個(gè)相鄰的矩形凸起之間所形成的凹槽的寬度)p為：p＝5l/31。

優(yōu)選地，設(shè)置使第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元的垂直于第一縫隙的截面的長度l為：l＝6.2厘米，此時(shí)對應(yīng)的工作頻率為4453hz，位于人耳所聽到的頻率，可用于語言聲學(xué)、音樂聲學(xué)、房間聲學(xué)與噪聲控制。

參照圖2a、圖2b所示的實(shí)施例，第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)的透射聲波的透射振幅一致，而相位差保持為180度；振幅結(jié)果顯示了一個(gè)位于波長為1.23l時(shí)的透射峰，盡管在遠(yuǎn)離該透射峰的地方透射率較小，但相位差仍然能在保持為180度。因此，第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元組成的聲學(xué)超表面，克服了傳統(tǒng)超材料在帶寬下相位差變化和振幅不一致的缺點(diǎn)，這使它更為實(shí)用。

相位差變化不一致會(huì)影響透射聲波在不同頻率下的方向性，比如在共振峰處聲波沿某個(gè)主方向傳播，而在偏離共振峰處聲波方向發(fā)生偏離。因此本發(fā)明實(shí)施例所提供的聲學(xué)超表面尤其適用于聲學(xué)天線制造中。

參照圖2c和2d所示的第一結(jié)構(gòu)單元與第二機(jī)構(gòu)單元內(nèi)部的速度場vy與vx分布情況，第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元依靠各自結(jié)構(gòu)內(nèi)部鄰近空腔間局域模式的激發(fā)，第一結(jié)構(gòu)單元中聲波在第一縫隙(出射縫隙)與在第二縫隙(入射縫隙)的相位相反，而第二結(jié)構(gòu)單元中聲波在第一縫隙(出射縫隙)與在第二縫隙(入射縫隙)的相位相同；在上平板的矩形凸起和下平板之間有非常強(qiáng)的橫向質(zhì)量振動(dòng)，證明了共振的存在；局域共振是由雙空腔共振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，經(jīng)過雙空腔共振結(jié)構(gòu)的相位延遲必然是180度。這里我們用狹縫加空腔的結(jié)構(gòu)來使聲波與局域共振模式耦合。在第一結(jié)構(gòu)單元中，兩個(gè)狹縫加空腔的結(jié)構(gòu)直接連通，而在第二結(jié)構(gòu)單元中，中間多加了一個(gè)雙空腔共振結(jié)構(gòu)，因此，第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元之間的相位延遲差為180度。

在不同的第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元的組合模式下，聲學(xué)超表面的透射相位隨之不同，不同的透射相位相互干涉，可以形成不同的透射波，進(jìn)而在具體使用時(shí)可以通過不同的超表面實(shí)現(xiàn)不同的功能，比如聲波的定向輻射，聚焦等等，最典型的應(yīng)用為高強(qiáng)度的聚焦超聲波可以用于醫(yī)學(xué)手術(shù)中。

當(dāng)一束聲波從超表面的下面垂直入射時(shí)，第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元的不同組合陣列具有不同功能，舉例來說，參照圖3a所示，當(dāng)聲學(xué)超表面陣列全部由第一結(jié)構(gòu)或者全部由第二結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成時(shí)，主要的透射波將會(huì)沿著入射方向傳播。參照圖3b所示，當(dāng)聲學(xué)超表面陣列由第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元在一維方向上間隔排列時(shí)，入射波就被散射為兩個(gè)的對稱的波束。參照圖3c所示，當(dāng)聲學(xué)超表面陣列由第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元在二維方向上如棋盤狀間隔排列時(shí)，入射波就被散射為四個(gè)對稱的波束。排布越無序時(shí)，波束的方向就越多。分束效應(yīng)使超表面能夠在聲學(xué)天線中應(yīng)用，使聲波沿?cái)?shù)個(gè)特定方向傳播。

在某一具體實(shí)施例中，上述聲學(xué)超表面的第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元的上平板上均勻設(shè)置有三個(gè)矩形凸起，此時(shí)第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元均為四空腔式結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步的，第一結(jié)構(gòu)單元的第一縫隙可以是位于上平板第一矩形凸起的左側(cè)，相對應(yīng)的第一結(jié)構(gòu)單元的第二縫隙位于下平板上對應(yīng)于第一個(gè)矩形凸起和第二個(gè)矩形凸起之間，第二結(jié)構(gòu)單元的第一縫隙位于第一平板上第一矩形凸起的左側(cè)，相對應(yīng)的第二結(jié)構(gòu)單元的第二縫隙位于下平板上對應(yīng)于第三矩形凸起的右側(cè)；第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元為四空腔式結(jié)構(gòu)的有益效果為：具有更小的結(jié)構(gòu)橫向尺寸，可以實(shí)現(xiàn)更高的集成度，提高對聲波調(diào)控的精度；

進(jìn)一步的，對于四空腔式結(jié)構(gòu)，為使性能更穩(wěn)定和便于對聲波的調(diào)控，設(shè)置使上述第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元的垂直于第一縫隙的截面長度為l，第一結(jié)構(gòu)單元的總厚度h和第二結(jié)構(gòu)單元的總厚度h均為：h＝2l/7；上平板的厚度h與所述下平板的厚度h為：h＝5l/84；第一縫隙與第二縫隙的寬度w為：w＝1l/21；矩形凸起的寬度a為：a＝2l/21，矩形凸起的高度b為b＝3l/21；兩個(gè)矩形凸起之間間距p為：p＝5l/21。

圖2g和圖2h示出了四空腔式結(jié)構(gòu)的第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元對入射聲波的透射率的關(guān)系，和第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元的出射聲波的相位差的關(guān)系，其中0代表第一結(jié)構(gòu)單元對應(yīng)的曲線，1代表第二結(jié)構(gòu)單元對應(yīng)的曲線；需要說明的是，該實(shí)施例中第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元的第一縫隙的位置不是固定的，相應(yīng)的，第二縫隙的位置也不是固定的，上述僅為舉例說明，不應(yīng)當(dāng)看作是對本發(fā)明的限制；

參照圖2e、圖2f所示，圖2e中示出了第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元為四空腔式結(jié)構(gòu)時(shí)，第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元的可以設(shè)置第一縫隙的位置a1、a2、a3、a4，以及可以設(shè)置第二縫隙的位置b1、b2、b3、b4；圖2f中示出了第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元為六空腔式結(jié)構(gòu)時(shí)，第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元的可以設(shè)置第一縫隙的位置a1、a2、a3、a4、a5、a6，以及可以設(shè)置第二縫隙的的位置b1、b2、b3、b4、b5、b6，在四空腔式和六空腔式結(jié)構(gòu)下，第一結(jié)構(gòu)單元的第一縫隙與第二縫隙的位置關(guān)系以及第二結(jié)構(gòu)單元的第一縫隙與第二縫隙的可能的位置關(guān)系如下表1所示：

表1

表1中，a1b2代表了第一結(jié)構(gòu)單元中第一縫隙的位置為a1處，第二縫隙的位置為b2處；依次類推。

需要說明的是，上述發(fā)明實(shí)施例中所提供的聲學(xué)超表面的第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元的組成材料的聲阻抗應(yīng)大于其背景介質(zhì)的聲阻抗的200倍，如果背景介質(zhì)為空氣，空氣的密度和聲速分別為1.2kg/m³和343m/s，則上述第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元的組成材料可以是塑料、金屬或者合金中的任意一種。

實(shí)施例二

本實(shí)施例中提供了一種聲波聚焦裝置，該聲波聚焦裝置包括上述實(shí)施例中所述的聲學(xué)超表面，該裝置包括中心部分和外圍部分，上述聲學(xué)超表面的多個(gè)第二結(jié)構(gòu)單元連接構(gòu)成該裝置的中心部分，上述聲學(xué)超表面的第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元間隔排列構(gòu)成該裝置的外圍部分；

參照圖4所示，上述聲波聚焦裝置為一波帶片結(jié)構(gòu)，在波帶片的橫向切面或者說是沿x軸方向看，由5個(gè)第二結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成中心部分，在y軸方向均為第二結(jié)構(gòu)單元，其外圍部分為第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元交替排列，在y軸方向均為第一結(jié)構(gòu)單元或者第二結(jié)構(gòu)單元；實(shí)驗(yàn)表明，在波帶數(shù)為5的聲波聚焦裝置上已經(jīng)可以展示出非常好的聚焦效果，特別是在焦平面上有良好的表現(xiàn)，其半峰寬為4.6cm。其中，在中心部分的右側(cè)的第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元的第二縫隙位于第一縫隙的右側(cè)，且第一結(jié)構(gòu)單元與第二結(jié)構(gòu)單元之間具有一定間隔，進(jìn)一步的，參照圖4所示，間隔為d1＝1.8cm，d4＝0.8cm，d2＝d5＝2.5cm，d3＝d6＝0.9cm，此時(shí)焦距xc為50cm。

本發(fā)明實(shí)施例中，需要說明的是，術(shù)語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，或者是該發(fā)明產(chǎn)品使用時(shí)慣常擺放的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于區(qū)分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

還需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“設(shè)置”、“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

最后應(yīng)說明的是：以上所述實(shí)施例，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，其依然可以對前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改或可輕易想到變化，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改、變化或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。