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交互式二维声波模拟:观察一个声速不同的透镜形区域如何折射并聚焦波前,并附有光线叠加与焦点读数。

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关于声透镜

声透镜通过利用声音在不同材料中传播速度不同这一事实来聚焦或散焦声波——正如光学透镜在玻璃-空气界面折射光线一样。会聚型声透镜的形状使得穿过其中心的波要在较慢介质中经过最长距离,从而使这些中心波前相对边缘延迟,导致波前向内弯曲汇聚到一个焦点。其应用涵盖医学超声(将强度聚焦于肾结石以进行碎石)、声呐阵列、工业无损检测,以及用于细胞操控的新兴「声镊」领域。

本模拟在一个240×144的有限差分网格上,使用蛙跳(Verlet)格式并结合一阶 Mur 吸收边界条件求解二维标量波动方程,以防止边缘反射。你可以在凸透镜、凹透镜、菲涅尔(波带片)和 GRIN(梯度折射率)透镜设计之间切换;设置速度比 c_lens/c₀ 以模拟更慢或更快的透镜材料;调整声源频率和位置;并叠加几何光线追踪线以验证透镜界面处的斯涅尔定律。

常见问题

声透镜如何聚焦声音?

声透镜的工作原理与光学透镜相同:斯涅尔定律。当声波以角度 θ₁ 穿过两种介质间的界面时,会按 sin θ₁ / c₁ = sin θ₂ / c₂ 折射到角度 θ₂,其中 c₁ 和 c₂ 是各介质中的声速。由较慢材料制成的凸透镜(c_lens < c₀)会将声线向内弯曲——斜射到曲面上的声线被折向轴线。根据薄透镜公式 1/f = (n – 1)(1/R₁ – 1/R₂),由较慢材料制成的凸透镜具有正焦距,能使波会聚。

速度比 n = c₀/c_lens 是什么?

声学中的折射率 n 定义为参考(背景)声速 c₀ 与透镜声速 c_lens 之比:n = c₀/c_lens。n > 1(c_lens < c₀)的材料在声学上更「致密」,会使透镜内的波减速,对凸形状产生会聚——类似于光学中的玻璃(n ≈ 1.5)。n < 1(c_lens > c₀)的材料在声学上密度较低,会对凸形状产生发散,正如水中的凸形气泡起到发散声透镜的作用。

什么是 Mur 吸收边界条件?

在有限计算域中模拟波动时,到达边缘的波会反射回来并污染解。Mur 边界条件(1981年)在每个边界面上近似单向波动方程,以极低的反射吸收出射波。对于简单的一阶 Mur 条件,法向入射波的理论反射系数为零;斜入射时仍会有少量反射残留。更先进的完美匹配层(PML)可将所有角度的反射降到接近零,但计算成本更高。

什么是用于声音的菲涅尔波带片?

菲涅尔波带片是一种平面结构,由交替透明和不透明(或相位反转)的同心环带组成。穿过开放环带的波以相同相位到达焦点,发生相长干涉。第 m 个环的半径为 r_m = √(mλf),其中 λ 是波长,f 是焦距。波带片可以在不使用曲面几何形状的情况下聚焦声音——当制造弯曲透镜不切实际时很有用——但由于它们阻挡(或吸收)一半的入射波,效率较低。它们被用于声学成像、碎石术和超声操控。

什么是 GRIN(梯度折射率)声透镜?

GRIN 透镜的声速在其截面上连续变化——边缘最快,中心最慢(以实现会聚)——而不是依赖界面折射。声线逐渐弯曲而非突然转折,消除了界面反射,并允许非常宽的孔径。GRIN 声透镜可通过结构化超材料实现——由亚波长内含物(杆、板)组成的周期性阵列,其中有效声速由填充比例控制。已有研究证明,声子晶体 GRIN 透镜可用于千赫兹到兆赫兹范围的超声成像。

本模拟中焦距是如何计算的?

对于曲率半径为 R、折射率为 n 的平凸透镜,薄透镜公式给出 f = R/(n – 1)。本模拟根据透镜几何形状估算焦距,并同时显示理论焦距和实测焦距。实测焦距通过在透镜后的轴线上寻找压力振幅峰值的位置来测量,由于衍射效应、有限孔径以及当透镜直径与 f 相当时薄透镜近似失效等原因,它可能与理论值有所不同。

什么是「焦点增益」,它能有多大?

焦点增益是焦点处声压振幅与入射压力振幅之比。对于直径为 D、焦距为 f、工作波长为 λ 的圆形透镜,衍射极限增益约为 G ≈ (πD²)/(4λf)——「f 数」比值决定了这一极限。在医学高强度聚焦超声(HIFU)中,聚焦换能器可实现100–1000的增益,在焦点处集中足够的能量以消融肿瘤组织,同时不损伤周围组织。

为什么改变声源频率会影响聚焦?

波长 λ = c₀/f 随频率变化,影响衍射。频率越高,波长相对透镜孔径越短,几何(光线)光学就越接近实际情况,焦斑也越锐利。频率越低,衍射使波束扩散得更明显,焦斑变宽。如果波长超过透镜直径,极低频率甚至可能根本产生不出可见的焦点。这种频率依赖性(声学中的「色差」)在宽带脉冲成像系统中很重要。

凹透镜与凸透镜在这里有什么不同?

由较慢材料制成的凹透镜(中心比边缘薄)会使中心波前经过的慢速介质比边缘波前少,因此中心先到达,波前向外凸出——产生发散效果。声线看起来像是源自透镜声源一侧的一个虚焦点。凹形声透镜用于将声音扩散到广阔区域(例如水下声呐中实现宽波束覆盖),或将来自点声源的发散波准直为平面波前。

什么是声子晶体,它与声透镜有什么关系?

声子晶体是两种(或更多)声阻抗对比鲜明的材料的周期性排列,其周期性通常与声波长同数量级。与用于光的光子晶体类似,声子晶体可以产生带隙(无法传播的频率范围)、产生负的有效密度或体积模量,并实现天然材料中不存在的折射率——包括 n < 0。负折射率声子晶体可以充当克服衍射极限的「声学超透镜」,实现亚波长成像,这是一个活跃的研究领域。

哪些实际应用使用了聚焦声束?

医学 HIFU(高强度聚焦超声)使用聚焦换能器阵列消融前列腺、子宫肌瘤和脑肿瘤组织,无需切口,自2004年起获得 FDA 批准。碎石术使用聚焦冲击波击碎肾结石。声镊使用聚焦驻波在芯片实验室设备中按大小捕获和分选细胞、细菌和微粒。声呐阵列使用相控阵波束成形(透镜的电子等效物)进行水下测绘。工业超声检测将波束聚焦于焊缝和铸件上,以亚毫米分辨率检测内部裂纹。

⚙ Under the hood

Solve the 2D wave PDE on a grid where the lens region has a different sound speed. Watch wavefronts bend and focus exactly where Snell's-law rays predict — the basis of ultrasound imaging.

Canvas 2DWave EquationRefractionLensFDTD

3D · Three.js / WebGL renderer · 60 FPS target · runs fully client-side, no install

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