申请/专利权人：大连理工大学

申请日：2021-07-01

公开（公告）日：2024-06-14

公开（公告）号：CN113643683B

主分类号：G10K11/30

分类号：G10K11/30

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.14#授权;2021.11.30#实质审查的生效;2021.11.12#公开

摘要：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，属于声学测控领域。曲面声学透镜包括按照梯度变化规律排布的10个温敏水凝胶片段II，每两层温敏水凝胶片段I之间添加一个用于阻隔的热量传递的橡胶薄膜II，水凝胶片段I是由琼脂糖溶液注入3D打印的模具中凝固而成。实现过程中，进行实验平台搭建与测试：建立测试坐标系，将曲面声学透镜、超声换能器、两个水听器放置在水箱中，通过两个水听器A同时测量到瞬时声压分布状态。本发明设计依靠材料折射率梯度变化的曲面声学透镜，建立温度与声学折射率的映射关系，能够实现声学折射率的准确可控；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。

主权项：1.一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，其特征在于，包括以下方法步骤：第一步，设计三维多功能曲面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之间添加一个用于阻隔热量传递的橡胶薄膜II，并采用耐低温胶粘贴在一起组成曲面声学透镜；具体的：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，方形底板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；所述方形底板1厚度与曲面壳体2-10厚度相同；相邻的所述温敏水凝胶片段I之间均加入一层用于隔热的橡胶薄膜II，橡胶薄膜II厚度小于圆环壁厚；第二步，透镜选材及制备2.1采用温敏水凝胶材料制备曲面声学透镜，其声学折射率与声速二者之间的关系为： 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；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：v＝0.6937t2-12.782t+2054.12其中，t为温度，v为温敏水凝胶材料声速；2.3根据公式1和2能够得到温敏水凝胶片段I表面的温度与其声学折射率的对应关系；2.4组装曲面声学透镜：利用3D打印制作分层模具，用于固定温敏水凝胶的形状；室温环境下，将含水量为65％的均质水凝胶溶液注入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；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；该过程中，根据声学透镜功能不同，处理温度不同；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胶粘在一起，得到曲面声学透镜；第三步，进行实验平台搭建与测试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，且曲面声学透镜中仅方形底板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，与水域隔绝；3.2建立测试坐标系，以曲面声学透镜在z轴方向最高点在方形底板1的垂直投影坐标为原点，以方形底板1较长的边为x方向，曲面声学透镜的右侧为正向，以方形底板1较短的边为y方向；3.3将超声换能器11放置在水箱14中，用于产生曲面声学透镜左侧的声波波源，其中心位置坐标为-0.15，0，0，单位为米；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；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的测头与方形底板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。

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