Thin Fresnel zone plate lenses for focusing underwater sound

波带板 不透明度 光学 衍射 材料科学 菲涅耳区 镜头(地质) 瑞利散射 声阻抗 水下 声学 物理 超声波传感器 地质学 海洋学
作者
David C. Calvo,Abel L. Thangawng,Michael Nicholas,Christopher N. Layman
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:107 (1) 被引量:88
标识
DOI:10.1063/1.4926607
摘要

A Fresnel zone plate (FZP) lens of the Soret type creates a focus by constructive interference of waves diffracted through open annular zones in an opaque screen. For underwater sound below MHz frequencies, a large FZP that blocks sound using high-impedance, dense materials would have practical disadvantages. We experimentally and numerically investigate an alternative approach of creating a FZP with thin (0.4λ) acoustically opaque zones made of soft silicone rubber foam attached to a thin (0.1λ) transparent rubber substrate. An ultra-thin (0.0068λ) FZP that achieves higher gain is also proposed and simulated which uses low-volume fraction, bubble-like resonant air ring cavities to construct opaque zones. Laboratory measurements at 200 kHz indicate that the rubber foam can be accurately modeled as a lossy fluid with an acoustic impedance approximately 1/10 that of water. Measured focal gains up to 20 dB agree with theoretical predictions for normal and oblique incidence. The measured focal radius of 0.68λ (peak-to-null) agrees with the Rayleigh diffraction limit prediction of 0.61 λ/NA (NA = 0.88) for a low-aberration lens.
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