基于声超构材料的超声聚焦方法研究

Acoustic metamaterial has shown some special properties not realizable in traditional natural materials, which prominently enrich the free manipulation of sound. However, most of the recent researches on acoustic metamaterial are based on airborne sound. It is highly desired to design and realize the acoustic metamaterial in medical ultrasonic frequency range. Therein, ultrasound focusing is widely used in biomedical ultrasound imaging, therapy and nondestructive testing. Nevertheless, due to the diffraction limit, the current ultrasound focusing cannot achieve the sub-wavelength focusing resolution, which hinders its applications. Based on previous research results, this proposal intends to employ the acoustic metamaterial with the unique properties to realize the medical ultrasound focusing with higher focusing resolution, transmission efficiency and precision. Through judicious design, we aim at extending the acoustic metamaterial into the underwater ultrasound and achieving the novel control of ultrasound wave. We will combine the fundamental theory, optimization algorithm, numerical simulation, experimental measurement, to design and fabricate the miniaturized and planar ultrasound focusing devices with more functions, including the ultrasonic lens with the sub-wavelength focusing resolution, the multi-focii ultrasound focusing and the ultrasonic lens with the ‘needle’ like focal region. Moreover, we will further explore the ultrasonic lens with arbitrary focusing pattern. The achievement of improved ultrasound focusing resolution, efficiency and precision based on acoustic metamaterial and the enriched manipulation of ultrasound wave would be of profound scientific significance and application value.

声超构材料可实现传统材料所不具备的特殊性质，极大地丰富了对声波的操控能力。然而，目前对声超构材料的研究多数集中于空气声，声超构材料在医学超声领域的设计和实现值得进一步的探索。超声聚焦在医学成像和治疗、无损检测等领域具有广泛应用，但现有的超声聚焦受衍射极限的限制无法达到突破半波长的聚焦分辨率。本项目将在前期研究的基础上，旨在将声超构材料扩展到医学超声领域，实现更高聚焦分辨率、增益和精度的超声聚焦，丰富对超声波的聚焦控制。项目将综合基础理论、优化算法、数值仿真、实验验证，设计和制备小型化、平面化且具有丰富功能的超声聚焦结构。具体研究内容和目标有：亚波长分辨率超声聚焦；空间多焦点超声聚焦；“针状”焦域超声聚焦；进一步扩展设计具有更复杂聚焦图案的超声透镜。利用声超构材料提高超声聚焦的效率和精度，并丰富对聚焦超声波的控制能力，具有重要的科学意义和生物医学方面的潜在应用价值。

对超声的有效调控在众多领域中具有重要价值，实现多样化、高分辨率、高增益的超声聚焦是其中的一个关键目标，在医学超声诊疗和工业无损检测等领域具有巨大潜力。然而，传统的超声聚焦方法难以达到亚波长分辨率，同时，其形式较为单一，未能满足对超声聚焦在多样性、分辨率、聚焦增益等方面提出的更高要求。.项目旨在将声超构材料扩展到医学超声领域，实现更高分辨率、增益和多样性的超声聚焦，丰富对超声波的调控能力。项目按照原定研究计划执行，主要完成了以下三方面的研究内容：声学非衍射传播原理与超构材料等效参数模型构建（理论研究）、聚焦超构器件正向设计与逆向优化方法及其他特殊超声调控器件研究（器件设计）、超声超构器件加工制备、功能测试与效果评价（实验验证）。项目研究成果主要包括：① 通过理论分析、结构优化和数值仿真，构建了具有非衍射传播性质的高增益自加速聚焦超声束，并设计超构材料实现了具有亚波长分辨率及弯曲轨迹非衍射传播的聚焦超声调控功能；② 针对水背景介质中声超构材料的设计难点，引入超稀疏结构的设计思路，实验实现了三维空间任意位置、亚波长分辨率的水下超声聚焦效果，为简单、高效的超声超材料器件的设计提供了可行的方法。③ 在高精度单点聚焦的基础上，拓展实现了“针状”焦域的超声刀，并将超声超构器件工作频率提升至兆赫兹频段，探究了对高分辨率超声聚焦所引发的温升效应的调控方法，发展了超声色散器件等其他丰富功能的小型化、平面化超声超构器件。.本项目在执行期间，深入研究了利用声学超构材料设计特殊超声聚焦调控器件，实现了高聚焦分辨率和其他丰富功能的小型化、平面化、高增益的超声超构器件。项目取得了系列研究成果，为推进超构材料在医学超声领域的应用提供了新思路，同时为高效率、高精度、多样化的超声聚焦调控提供了新方案，在医学超声诊疗和无损检测等方面具有潜在价值。