金属圆柱结构中声聚焦效应的研究

• 作者: 刘宸 刘树森 夏建平 孙宏祥 张淑仪 黄玉磊
• 来源期刊: 南京大学学报（自然科学版）
• 学科: 物理学
• 关键词: 声聚焦,圆 柱,本征模式
• 年，卷（期）: 2015,（6）
• 页码范围: 1132-1138
• 页数: 7页
• 分类号: O42
• 字数: 2410字
• 语种: 中文
• DOI: 10.13232/j.cnki.jnju.2015.06.006

摘要

研究浸没在水中金属空心圆柱结构的声聚焦效应及其物理机制，并探索声聚焦频率与圆柱结构参数之间的关系。研究表明：当超声波源从外侧入射到圆柱结构表面时，在圆柱结构中心会出现声聚焦效应。这种声聚焦效应源于金属圆柱结构中的位移本征模式，与之前研究利用负折射机制实现声聚焦效应完全不同，是一种全新的物理机制。在圆柱结构的位移本征模式作用下，入射声波的传播方向在圆柱结构内部发生重建，均沿着圆柱径向指向圆心，同时相位波形也呈现出同心圆分布，从而在圆柱结构中心聚焦成一个完美的圆形焦点，焦点在水平方向与垂直方向均表现出优异的聚焦性能。此外，基于声散射理论推导得到系统的特征方程，计算出声聚焦的特征频率，理论与数值结果符合很好。结果表明：圆柱结构可在多个频率出现声聚焦效应，相邻的两个声聚焦频率的间隔相同，且焦点的尺寸随着聚焦频率增加而变小。当金属圆柱结构的内外半径同时增大时，圆柱结构的声聚焦频率会减小，且声聚焦频率与圆柱的尺寸成反比关系。本研究为新型声聚焦器件的研制提供有效的设计思路及理论依据。