一种基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法，包括：确定相位调控薄膜，所述相位调控薄膜能够将其透射的声波的相位改变180度；对相位调控薄膜进行裁剪，将所述相位调控薄膜裁剪成费马螺线图案，使得经过所述裁剪的相位调控薄膜透射后的声波产生稳定传播的声涡旋。本发明专利技术能够产生稳定的声涡旋，声涡旋能够在透射场的一定距离内稳定传播，并且涡旋中心强度为0，本发明专利技术可以通过薄膜以及控制裁剪图案即可得到声涡旋，得到的声涡旋可用于噪声隔离，声通讯，粒子操控等方面，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法
本专利技术属于声波
，更具体地，涉及一种基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法。
技术介绍
声涡旋对于粒子旋转操控、声通讯、等有着重要的意义并且在生产和生活中都有着重大的实用价值。声涡旋类似于光涡旋和自然界的涡旋现象如龙卷风等，是比较前沿的研究。现有的文献中，产生涡旋方法有主动式的相控阵列法和被动式的波导空腔的堆叠等。其实现方法都是使平面上不同位置的相位元具有不同的相位，使平面内绕圆心一周的初相位发生360度的均匀变化来生成声涡旋。主动式的相控阵列是利用电流控制延迟相位；而被动式波导空腔是利用在有限距离金属波导内的设计扭曲的声通道来实现大的相位改变。例如，现有文献分别利用波导空腔的堆叠和主动式相位延迟的方法来对声波进行调控，以实现声涡旋。以上两种方式的器件厚度都在厘米级以上并且整个装置十分庞大和厚重，成本也较高，限制了其应用范围。并且这两种堆叠相位单元的方法由于其单元体积不能忽略，其具体效果的精度有限，尤其是对波长小于单元尺寸的声波很难进行调控。并且主动式的方法由于要配置电源和控制系统，使整个系统更为庞大，难以整合进手持器件等。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供一种基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法，由此解决现有产生声涡旋的装置十分庞大和厚重，成本也较高，限制了其应用范围，并且精度有限等技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供一种基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法，包括：确定相位调控薄膜，所述相位调控薄膜能够将其透射的声波的相位改变180度；对所述相位调控薄膜进行裁剪，将所述相位调控薄膜裁剪成费马螺线图案，使得经过所述裁剪的相位调控薄膜透射后的声波产生稳定传播的声涡旋。可选地，所述费马螺线图案包括两条螺线，两条螺线的表达式分别满足：其中，m为线性系数，r1和r2分别为两条螺线的极径，θ1和θ2分别为两条螺线的极角。可选地，通过选取合适的m以使得不同波长的声波经过裁剪的相位调控薄膜透射后都能产生稳定的声涡旋。可选地，当m＝9.1时，11毫米-17毫米的声波经过裁剪的相位调控薄膜透射后都能产生稳定的声涡旋。可选地，确定相位调控薄膜，包括：将任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒和任意模量小于颗粒的高分子材料或者软材料溶液均匀混合得到混合溶液；将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，得到带颗粒的静电纺丝纤维，进而由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜，所述静电纺丝薄膜即为所述相位调控薄膜。本专利技术通过不同颗粒与不同高分子材料或者软材料溶液混合后得到的混合溶液，可以制备不同直径和分布的静电纺丝薄膜，由于薄膜中颗粒的振动，从而对不同频率范围声波有180度相位改变，其中，颗粒越多，响应频率越低频；薄膜越厚(小于1毫米的情况下)，响应频率也越低。可选地，所述任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒为铜、铁、金、银、铂、钴、镍、铅及其对应的氧化物。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：1、本专利技术能够产生稳定的声涡旋，声涡旋能够在透射场的一定距离内稳定传播，并且涡旋中心强度为0。本专利技术可以实现多功能且自定义地对声波进行调控，基于这个专利技术的薄膜材料得到的声涡旋可以用于噪声隔离，声通讯，粒子操控等方面，因此本专利技术提供的薄膜及通过控制裁剪图案得到声涡旋的方法具有广阔的应用前景。2、尺寸缩小。比起之前任意同类功能的设计，本专利技术利用了初相位相差180度的两部分区域共同作用，能使器件面积在x,y两个方向都减少一半，所以能使薄膜总面积减少3/4(z方向为入射波方向，xy与z方向垂直)。3、能量利用率更高。本专利技术是基于全透射结构，利用了整个平面的能量，有着更高的能量利用率。并且本专利技术是无源器件，在能耗，体积，便携性上都有很大优势。附图说明图1为本专利技术提供的基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法流程示意图；图2为本专利技术所采用的费马螺线图案示意图；图3为本专利技术形成的声波涡旋的示意图；图4为本专利技术提供的透射积分场计算示意图；图5为本专利技术提供的具体生成的涡旋场的仿真和实验测试相位图；图6为本专利技术具体生成的涡旋场的仿真和实验测试强度图；图7为本专利技术具体生成的涡旋场随距离变化的仿真相位图；图8为本专利技术具体生成的涡旋场随距离变化的仿真强度图；图9是本专利技术提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:8时，按照本专利技术方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；图10是本专利技术提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:4时，按照本专利技术方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；图11是本专利技术提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:2时，按照本专利技术方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；图12是本专利技术提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:1时，按照本专利技术方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；图13为本专利技术提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:8时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图；图14为本专利技术提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:4时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图；图15为本专利技术提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:2时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图；图16为本专利技术提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:1时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术基于能够将透射相位改变180度的薄膜和特定图案化设计规律以产生声涡旋。利用激光切割或者其他切割手段将薄膜切成设计好的图案，可以对不同频率的声波产生涡旋。在这种柔性薄膜上的剪切十分方便，并且整体器件也很轻便，成本较低，利于大规模生产制作。这种方式也是无源的，在能耗和便携性上具有优势。图1为本专利技术提供的基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法流程示意图，如图1所示，包括步骤S101至步骤S102。S101，确定相位调控薄膜，该相位调控薄膜能够将其透射的声波的相位改变180度。S102，对所述相位调控薄膜进行裁剪，将所述相位调控薄膜裁剪成费马螺线图案，使得经过所述裁剪的相位调控薄膜透射后的声波产生稳定传播的声涡旋。可选地，如图2所示，按照本专利技术的实施方式，主体由待切割薄膜1和切割方式2组成。将薄膜按照图2的图案进行切割得到费马螺线图案，根据相位叠加是中心叠加场相位从0到360度剧烈变化的原则，选用了费马螺线图案。费马螺线图案包括两条螺线，两条螺线的表达式分别满足：其中，上述公式为极坐标表示方法，m为线性系数，决定了图案的大小，这个参数可以根据需要调节的波长进行更改，以适应波长。r1和r2分别为两条螺线的极径，θ1和θ2分别为两条螺线的极角。通过选取合适的m以使得不同波长的声波经过裁剪的相位调控薄膜透射后都能产生稳定的声涡旋。可选地，当m＝9.1时，11毫米-17毫米的声波经过裁剪的相位调控薄膜透射后都能产生稳定的声涡旋。m为其它值时也会有类似的效果，m主要影响整个图案的大小，以及相应调控的声波波长。调控波长与图案螺纹间距通常在一个量级。由图3所示，图中斜线阴影部分(未裁剪部分)代本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法，其特征在于，包括：确定相位调控薄膜，所述相位调控薄膜能够将其透射的声波的相位改变180度；对所述相位调控薄膜进行裁剪，将所述相位调控薄膜裁剪成费马螺线图案，使得经过所述裁剪的相位调控薄膜透射后的声波产生稳定传播的声涡旋。

【技术特征摘要】
1.一种基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法，其特征在于，包括：确定相位调控薄膜，所述相位调控薄膜能够将其透射的声波的相位改变180度；对所述相位调控薄膜进行裁剪，将所述相位调控薄膜裁剪成费马螺线图案，使得经过所述裁剪的相位调控薄膜透射后的声波产生稳定传播的声涡旋。2.根据权利要求1所述的基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法，其特征在于，所述费马螺线图案包括两条螺线，两条螺线的表达式分别满足：其中，m为线性系数，r1和r2分别为两条螺线的极径，θ1和θ2分别为两条螺线的极角。3.根据权利要求2所述的基于图案...

【专利技术属性】
技术研发人员：臧剑锋，唐瀚川，祝雪丰，喻研，叶镭，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42