[发明专利]一种聚焦声透镜的设计方法

权利要求书

1.一种聚焦声透镜的设计方法，其步骤为：

步骤一、选定聚焦声透镜的初始目标工作频率f₀，根据该初始目标工作频率f₀计算出声波在工作介质中的纵波波长λ；在聚焦声透镜表面的声辐射面，即凹球面上设置周期性分布的同心环状凹槽结构，并设置该凹槽结构的初始分布参数：相邻凹槽的间隔为L₀，凹槽的深度为h₀，凹槽的宽度为d₀；

步骤二、在有限元模型计算中循环调节凹槽的宽度d和深度值h，并采用频率扫描的方法分别计算焦点声压及透镜的声透射率相对于频率f的变化关系，当产生焦点声压最大的工作频率f_1max与声波反常透射的峰值频率f_2max的差值|f_1max-f_2max|达到预期要求时即停止循环，以此时产生焦点增益最大的工作频率f_1max作为目标工作频率f₁，并以此时的凹槽深度和宽度分别作为本次循环中优化的凹槽深度h₁和宽度d₁；

步骤三、在目标工作频率f₁附近分析焦点处的径向旁瓣相对于主瓣的幅度比值，在有限元模型计算中保持优化后的凹槽深度h₁和宽度d₁不变，不断调节相邻凹槽的间隔L使上述幅度比值达到最小，从而取得最佳的径向旁瓣幅度抑制效果，并以此时相邻凹槽的间隔L作为本次循环中优化的相邻凹槽的间隔L₁；

步骤四、评价经步骤一至步骤三中优化后的聚焦声透镜在目标工作频率f₁处的聚焦效果，聚焦效果包括以下三项指标：(a)焦点处的径向旁瓣幅度相对于主瓣幅度的比值；(b)焦点处的聚焦增益，即焦点声压相对于平面活塞超声换能器发射声压的增益；(c)声压焦点位置与透镜几何焦点位置之间的偏移量；

步骤五、如果步骤四中聚焦声透镜在目标工作频率f₁处的聚焦效果未达到设定目标，则重复进行步骤二至步骤四，直至步骤四中聚焦声透镜在目标工作频率f₁处的聚焦效果达到设定目标；

步骤六、根据步骤五中最终得到的凹槽宽度d、凹槽深度h、相邻凹槽的间隔L来制作聚焦声透镜。

2.根据权利要求1所述的一种聚焦声透镜的设计方法，其特征在于：步骤一中所有凹槽的圆心均位于聚焦声透镜的轴线上，且每个凹槽的底部与顶部的宽度保持弧度值一致。

3.根据权利要求1或2所述的一种聚焦声透镜的设计方法，其特征在于：步骤一中设置相邻凹槽间隔的初始值L₀以及凹槽深度的初始值h₀均为波长λ，凹槽宽度的初始值d₀为半波长λ/2。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种聚焦声透镜的设计方法，其特征在于：步骤二中凹槽的深度h与宽度d的具体优化过程为：

(1)先保持凹槽的宽度d不变，以初始深度h₀的1％为步长增大凹槽的深度h，若|f_1max-f_2max|减小，则保持上述步长不变继续增大凹槽深度h，反之则以上述步长持续减小凹槽的深度h，当|f_1max-f_2max|开始变大时则停止调整，以|f_1max-f_2max|开始变大前的凹槽深度作为新的凹槽深度h；

(2)使新的凹槽深度h保持不变，以初始宽度d₀的1％为步长增大凹槽的宽度d，若|f_1max-f_2max|减小，则保持上述步长不变继续增大凹槽宽度d，反之则以上述步长持续减小凹槽宽度d，当|f_1max-f_2max|开始变大时则停止调整，以|f_1max-f_2max|开始变大前的凹槽宽度作为新的凹槽宽度d；

(3)循环执行步骤(1)、步骤(2)，当|f_1max-f_2max|达到预期要求时即停止循环。