Page 255 - 《应用声学》2025年第2期

第 44 卷 第 2 期 朱志强等： 超声换能器的超构透镜设计与制备 515

ᐑཥག 有所提升，但提升效果不显著。结合工艺实际，较大

尺寸更容易制作，故此在梳齿宽度的尺寸选择上可
以选择较宽的尺寸。
p 1.2
1.1
ᡔ౞ెந
1.0
ԍႃࡏ
0 0.9
0.8
图 1 超构透镜聚焦原理图 0.7
ॆʷӑܦԍ 0.6
Fig. 1 Schematic diagram of the focusing princi-
ple of metamaterial lens 0.5
1.2 仿真分析 0.4 H=0.40 mm
W=1.200 mm
W=1.188 mm
基于上述原理，对该原理下超构材料不同配置 0.3 W=1.176 mm
W=1.164 mm
情况进行仿真分析，以求得到最优的配置方案，其中 0.2 W=1.152 mm
W=1.140 mm
指标包括聚焦强度以及F 数。 0.1 W=1.128 mm
本文选取三维轴对称梳齿结构进行优化，其对 0
30 40 50 60 70 80 90
称轴为超声换能器的中心轴线，优化参数为梳齿 ᡰሏ૱ᑟ٨ԧ࠱᛫᭧ᡰሏ/mm
的高度和宽度。基于频域稳态模型，中心频率选取
图 3 不同梳齿宽度时轴线声压分布图
1 MHz，利用有限元仿真软件 Comsol Multiphysics
Fig. 3 The axial sound pressure distribution chart
对不同几何尺寸的梳齿结构进行仿真，得到结果如
at different comb tooth widths
图2所示。
根据仿真结果结合工艺实际，优化得到的超构
1.4 材料透镜结构如图 4 所示，其为以原点为中心的三
H=0.56 mm
1.3
W=1.2 mm H=0.52 mm 维轴对称结构。为了使超声换能器在不同位置的相
1.2 H=0.48 mm
H=0.44 mm 位延迟不同，可以调节梳齿结构数量和梳齿宽度来
1.1
H=0.40 mm
1.0 实现。该超构材料中梳齿宽度越大，其超声信号相
0.9 位延迟效果越明显。其具体原理及声波传输路径在
ॆʷӑܦԍ 0.8 图中标出，声波主要辐射方向沿着超构透镜中所设
0.7
0.6 定的折叠空间传输，而折叠空间中路径的声程不同，
0.5 进而造成了声波传输的相位差，从而在总体上体现
0.4
为声波经过不同超构结构的声速不同，实现在预期
0.3
聚焦位置处的聚焦效果。
0.2
0.1 ᣉ 7 mm
Ք
0 1.2 mm 1.0 mm 0.8 mm 0.6 mm 0.4 mm
30 40 50 60 70 80 90
0.4 mm
ᡰሏ૱ᑟ٨ԧ࠱᛫᭧ᡰሏ/mm
3.2 mm
图 2 不同梳齿高度时的轴线声压分布图
Fig. 2 The axial sound pressure distribution chart 1.4 mm
at different comb tooth heights य़Ք
由仿真结果可知，当梳齿宽度固定，梳齿高度 图 4 超构透镜的结构图
越小时，实际聚焦效果越佳，故此可以选择接近工艺 Fig. 4 Structure diagram of the metalens
能力极限的最小尺寸以提高聚焦效果。 通过调节不同径向坐标处的超声相位，可实现
同样由仿真结果 (图 3) 可知，当梳齿高度固定 近场聚焦的目标。以图4 中超构材料作为聚焦透镜，
为较优值 0.4 mm 时，随着梳齿宽度变大，聚焦效果 得到换能器轴线声压如图5所示。