技术摘要：
本发明公开了一种宽频超声悬浮装置，包括超表面结构，该超表面结构由三维尺寸均对应相同的若干个单元拼接而成；每个单元包含若干倒放的柱状体，每个单元内的柱状体之间设有使入射波折射后出射的孔隙；每个单元对不同波长的平面波进行折射后产生固定相位的出射声波；每  全部
背景技术：
目前，超声波悬浮是利用超声波振动形成悬浮间隙的一种现象，分为驻波悬浮和 近场悬浮两种。超声悬浮近年来成为国内外研究的热点，其中驻波悬浮成为重点研究对象， 并取得了重大突破，并构造了各种悬浮输送装置。驻波悬浮必须使用相对发射的双向声源， 这种空间需求限制了超声悬浮的应用范围，因此单边声源超声悬浮在实际应用中更具有灵 活性。另一种单边声源超声悬浮的方案是使用超声喇叭阵列，通过每个喇叭单独调控发射 声波相位，从而构造所需要的声波相位图案化分布。然而每个喇叭单独调控需要复杂的电 路控制，以及大量的独立操控的声通道，这需要极其专业的设备，所需成本过高。近年来，声 学超表面以其灵活的声波操控功能和超薄特性，受到了越来越多的研究和重视，其中超声 悬浮也是超表面的特殊功能之一。 声学超表面是一种亚波长声学超构材料，通过对微结构的巧妙设计，这类亚波长 超构材料能够实现对超声波的调控。其根本原因是通过微结构来调控声波相位，从而获得 特定的能量分布形式。如何利用超表面来实现宽频超常波动性能，如负折射率、声聚焦、超 声悬浮，自弯曲声束、螺旋声场等，从而实现对宽频声波的任意调控是目前需要解决的技术 问题。
技术实现要素：
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种宽频超声悬浮装置及其制 作方法。 本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种宽频超声悬 浮装置，包括超表面结构，该超表面结构由三维尺寸均对应相同的若干个单元拼接而成；每 个单元包含若干倒放的柱状体，每个单元内的柱状体之间设有使入射波折射后出射的孔 隙；每个单元对不同波长的平面波进行折射后产生固定相位的出射声波；每个单元的出射 声波相位与其纵截面形状相对应。 进一步地，设超表面结构的底面为XY平面，底面中心为XY坐标原点，将单元分成两 组；设纵截面形状相同的单元的集合为Ai，i＝1、2、…,n，n为集合Ai中单元的总数；设纵截面 形状与其他单元均不相同的单元的集合为Bj，j＝1、2、…,k，k为集合Bj中单元的总数；Ai中 的单元相对X轴及Y轴均对称分布；Bi中的单元相对X轴及Y轴均对称分布。 进一步地，Bi中的单元布设为近似以超表面结构的底面中心为圆心的圆形。 进一步地，n为141个；k为28个。 进一步地，单元之间通过衬板分隔，柱状体的两端固接在衬板上。 本发明还提供了一种宽频超声悬浮装置制作方法，该装置采用超表面结构，该超 3 CN 111547515 A 说　明　书 2/6 页 表面结构由三维尺寸均对应相同的若干个单元拼接而成；每个单元包含若干倒放的柱状 体，每个单元的柱状体之间设有使入射波折射后出射的孔隙；每个单元对不同波长的平面 波进行折射后产生固定相位的出射声波；每个单元的出射声波相位与其纵截面形状相对 应；先确定每个单元的出射声波的相位值，然后对应相位值采用遗传算法对每个单元的纵 截面形状进行优化，得到每个单元的纵截面形状的优化解。 进一步地，设超表面结构的底面为XY平面，底面中心为XY坐标原点，将单元分成两 组；设纵截面形状相同的单元的集合为Ai，i＝1、2、…,n，n为集合Ai中单元的总数；设纵截面 形状与其他单元均不相同的单元的集合为Bj，j＝1、2、…,k，k为集合Bj中单元的总数；确定 n、k的值以及各单元的分布规律，建立各单元的中心坐标、各单元的出射声波相位与超表面 结构输出声波之间的函数关系模型；设置模型精度；设置超声悬浮的目标声波，通过模型对 各单元出射声波相位进行求解，得到各单元出射声波相位的值。 进一步地，Ai中的单元相对X轴及Y轴均对称分布；Bi中的单元相对X轴及Y轴均对称 分布。 进一步地，Bi中的单元布设为近似以超表面结构的底面中心为圆心的圆形。 进一步地，超表面结构由3D打印制成。 本发明具有的优点和积极效果是：本发明通过基于遗传算法对宽频超表面结构中 单元的结构进行优化，能够在宽频范围内将入射平面波汇聚成“笼状”分布，从而“抓取”轻 质小球，使其悬浮于空中。本发明是采用一种单侧输入平面波用于超声悬浮的装置，不需要 单独调控声源喇叭的相位值，并且其超声悬浮性能在宽频范围内适用。本发明可通过选取 不同结构的单元及采用一定的分布结构构建超表面结构，能够调制不同频率的入射平面 波，使其透射声能量呈现“笼状”分布，而“笼状”能量场可以将轻质小球“抓住”，使其悬浮于 空中。每个单元的结构均可通过遗传算法优化得到。本发明可用于微粒操控、声能量驱动等 领域。 附图说明 图1为本发明的一种超表面结构示意图； 图2为一种单元的结构示意图； 图3为一种单元的纵截面形状示意图； 图4是本发明的一种单元编号及分布状态示意图； 图5是输入频率为41.8kHz平面波时宽频超声悬浮装置的声悬浮效果示意图。 图中：1、超表面结构；2、单元；3、空气通道；4、柱状体；5、围板；6、孔隙；7、大于r0的 区域；8、小于r0的区域；9、声能量场；10、小球。