基于人工结构板的声贝塞尔束的相位调控(特邀)

理论及数值模拟了人工结构板对声贝塞尔束相位拓扑阶数的灵活调控。基于惠更斯原理推导了平面波及贝塞尔束入射到刻有镂空阿基米德螺旋栅的金属板后出射波的声场分布。结果表明,当平面波从结构板的正反两向入射时,可分别得到带相反拓扑阶数的贝塞尔束;当贝塞尔束从结构板的正反两向入射时,可获得升阶或降阶的出射贝塞尔束。数值模拟声场分布对理论分析进行验证,进一步发现,升高工作频率至人工结构板对应基频的倍数,会得到对入射波高倍数相位阶数的调控。本文提出的贝塞尔束声场调控方法有望推动轨道角动量在信息传递及编解码中的应用。

单向声传播结构研究

受到电子二极管整流效应的启发,对单向声传播结构展开了一系列的理论与实验研究:将超晶格结构与非线性声学材料组合构成了可实现声整流效应的声二极管结构;通过将反对称弹性结构引入到复合结构板来产生Lamb波的不对称模式转化,设计了可实现Lamb波单向传播的线性声学结构;基于声子晶体的部分禁带特性,在有限尺度声学系统中设计并实现了单向声学波导结构;设计并实现了由纯板与声栅构成的声单向传播结构,具有小尺寸与高效率的特点,且声波出射角度可调;基于声学梯度材料设计了可在极宽频带内实现不对称声传播的声学结构。

基于声异常透射效应的高强度聚焦超声换能器

高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound,HIFU)作为一种新型无创的外科技术已在临床上应用于各种良恶性实体肿瘤治疗。为了实现安全高效的肿瘤治疗,HIFU换能器的聚焦效率仍然有待提高。本文综述了声异常透射效应的基本原理,以及近期利用声异常透射效应的HIFU聚焦超声换能器的研究。主要涉及两个方面的工作:(1)将声人工结构引入凹面型声透镜的设计,设计并制作了声超常透镜,对声透镜式聚焦换能器进行改进,达到了降低旁瓣的效果,从而提高了HIFU治疗的安全性;(2)基于球弧周期槽阵列设计并制作了超构聚焦换能器,以增强HIFU换能器聚焦效率。从理论及实验两方面研究了超构聚焦换能器与传统凹面换能器的声压分布和在组织中产生的温升。本文研究结果可进一步促进HIFU在临床治疗的广泛应用。