【机情无限 精彩毕设】机械2025届毕业设计（论文）中期检查优秀案例分享第三十三期——人工超结构中的声聚焦原理与设计方法研究

学生姓名：付汉林

班    级：工程2021-01班

指导教师：郭鹏

毕设题目：人工超结构中的声聚焦原理与设计方法研究

一、概况

1.选题意义

本毕业设计题目为《人工超结构中的声聚焦原理与设计方法研究》，聚焦于声学超材料的结构设计与声波聚焦机理研究，旨在解决声波在高阻抗硬物质透射中存在的声能损耗大、聚焦效率低等问题。通过理论建模、仿真优化与实验验证，探索基于声学坐标变换的互补介质层设计与超表面结构设计方法，以实现声波在复杂生物组织中的高效传播与精准聚焦，为医学成像和非侵入性治疗提供创新性解决方案。

人工超结构是一种通过微纳尺度结构设计实现自然材料无法具备的物理特性（如负等效质量密度、负模量等）的新型功能材料。声学超材料作为其重要分支，通过亚波长结构设计，可调控声波的传播路径、相位与能量分布，在医学成像、噪声控制、无损检测等领域具有广阔应用前景。然而，传统声学聚焦技术（如HIFU）在颅骨等硬组织透射时，因声阻抗失配和散射效应，导致声能衰减严重，聚焦效率受限。声学超材料通过结构创新可突破这一瓶颈，例如利用坐标变换理论设计互补介质层以补偿声波相位畸变，或通过超表面结构实现宽频带声波调控，从而提升声能穿透与聚焦性能。

2.任务分解

（1）匹配层等效介质理论研究；

（2）硬组织-匹配层声学隐身参数设计；

（3）匹配层声学隐身仿真；

（4）声聚焦机理研究；

（5）透射型超表面单元设计；

（6）亥姆霍兹型超表面单元组合实现声聚焦；

（7）匹配层-相控阵-硬物质场景模拟仿真；

（8）人因分析：温升效应和介质更换；

（9）数据整理与论文撰写。

二、已完成工作

 1.匹配层等效介质理论研究

  基于坐标变换获得变换后的有效密度和模量，根据声波方程（笛卡尔坐标系），改写为亥姆霍兹方程的形式，带入雅可比矩阵，设计互补层的有效密度和模量。

 2.硬组织-匹配层声学隐身参数设计

带入仿真场景中，结合声学隐身参数进行设计

图1 场景相关数据

3.匹配层声学隐身仿真

仿真场景为0.1MPa平面波从下向上入射，不考虑传热问题。加入阻抗匹配层后，声波可以无损的穿过阻抗传到到组织中。而没有加阻抗匹配层时，声波穿越硬物质后声压急剧下降，其幅值仅为水域中的1/3，能量大量耗散。

图 2高阻抗匹配层仿真模拟

4.声聚焦机理研究

声学聚焦相关机理研究，利用透射声场声波调控相关方法，进行相位调控和聚焦方向的研究，理论基础涉及广义斯涅尔定律，，结合实际场景（两侧介质相同，入射角0°），进行相关单元选取。

5.透射型超表面单元设计

基于亥姆霍兹共振腔机理，涉及串联HRs结构，通过改变通道高度（h1/h0），从而改变波速。相较于单个HR结构，串联增大相位调控范围，同时也造成阻抗不匹配现象。考虑到法布里−珀罗共振条件, 将直通道长度 (w, 即超表面厚度) 设计为半波长, 可以提高阻抗匹配和透射效率。

图3  相位调控和投射效率

6.亥姆霍兹型超表面单元组合实现声聚焦

图4  超表面单元组合实现声聚焦

7.匹配层-相控阵-硬物质场景模拟仿真

8.人因分析：温升效应和介质更换

实际，医学研究中的声学聚焦治疗中，穿透颅骨的超声波通常通过水或水基耦合介质进行传播，而非空气。水介质与高阻抗物质具有声阻抗匹配特性，减少能量损失，优化聚焦效果。

图5 实际场景模拟

由于颅内肿瘤的超声探测需要在超声聚焦的前提下还要实现低温升，用来保护周围的组织不受到破坏，因此需要研究在超声聚焦过程中的温升变化。

  计算聚焦位置温升效果，可以使用生物传热方程有 Pennes 生物传热模型 (PBHTE) ，通过声-生物传热耦合得到温升的变化很小，适合用于声波探测。          

三、下一步工作计划

在以上工作的基础上，进一步细化亥姆霍兹型超表面的设计，研究亥姆霍兹共振腔机理，结合算法进行参数化研究。进行ie+超结构结合分析。撰写毕业论文并修改。

问题一：在超表面结构单元选取时，相应的原则是什么？

回答：首先，本次毕设分别使用迷宫型超表面结构和亥姆霍兹型超表面结构进行相位调控和透射率的仿真，结合实际情况，选择亥姆霍兹型作为最终的超表面结构单元。在实际选取过程中，考虑到入射角为0°即垂直入射，结合广义斯涅尔定律，选取50个/80个单元进行组合，最终实现聚焦。

问题二：人因分析部分，如何体现工业工程思想？

回答：1. 实际，医学研究中的声学聚焦治疗中，穿透颅骨的超声波通常通过水或水基耦合介质进行传播，而非空气。水介质与高阻抗物质具有声阻抗匹配特性，减少能量损失，优化聚焦效果。 可以将空气介质更换为水进行研究。2. 由于颅内肿瘤的超声探测需要在超声聚焦的前提下还要实现低温升，用来保护周围的组织不受到破坏，因此需要研究在超声聚焦过程中的温升变化。

计算聚焦位置温升效果，可以使用生物传热方程有 Pennes 生物传热模型 (PBHTE) ，通过声-生物传热耦合得到温升的变化很小，适合用于声波探

通过本次毕业设计的研究与实践，我深刻体会到理论与实际结合的重要性。在“人工超结构中的声聚焦原理与设计方法研究”这一课题中，不仅学习了声学超材料的基础理论，还通过仿真模拟和参数优化，将抽象的原理转化为具体的解决方案。尤其是在匹配层设计和超表面单元优化过程中，我认识到细节决定成败，每一个参数的微小调整都可能对最终结果产生显著影响。

此外，人因分析部分让我意识到工程研究必须考虑实际应用场景。例如，在医学应用中，温升效应和介质选择直接关系到治疗的安全性和有效性。

最后，本次毕设也锻炼独立研究能力和解决问题的能力。面对仿真结果与预期不符的情况，我学会了通过查阅文献、调整参数和反复验证来寻找原因并改进方案。这些经验将为我未来的科研和工作奠定坚实的基础。