【技术实现步骤摘要】
基于近场轨道角动量转换的声波相位调制及声场重构方法
[0001]本专利技术涉及声波传输相位调制和自由空间声场重构，属于声学信号处理和声场调控领域。
技术介绍
[0002]声场重构与复杂三维声场调控在粒子操控、超声成像、医疗诊断和虚拟现实等领域中具有广泛的应用。目前，在实验室以及商业上获得复杂三维空间声场的成熟技术手段主要有两种：一种是利用集成扬声器阵列，通过电子线路设计和计算机编程实现不同像素点位置处扬声器驱动电压的幅值和相位的逐点调控，进而调节扬声器所辐射的声场的振幅和相位，重构出目标声场，属于主动式声场调控技术；另一种是基于计算机制全息图，采用合适的物理模型和算法，求解得到目标声场所对应的声学全息干板的透反射系数空间分布函数，随后通过设计合适的像素结构并结合成熟的三维快速成型技术制备得到符合要求的声学全息干板，最终在平面声波照射下重构出目标声场，属于被动式声场调控技术。但是，基于大面积集成扬声器阵列的主动式声场调控技术，所需要控制的信号通道众多，系统组成复杂，成本高昂，并且所获得的声场声压大小有限，限制其在虚拟显示和粒子操控领域的应用；另一方面，基于声学全息干板的被动式声场重构技术，受结构组成材料和加工尺寸限制，可以利用的工作波段较为有限。
[0003]近些年来，以超构材料和超构表面为代表，基于声学人造结构的声场重构和声场调控方案得到了学术界和工业界的广泛关注。声学人造结构具有极高的设计灵活度和可控性，作为超构材料和超构表面的一个重要研究分支，基于声学超构表面的声场调控的核心任务是设计具有特定空间透射振幅...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于近场轨道角动量转换的可调声波相位调制方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一：将扬声器阵列放置到刚性圆柱形波导管中产生高质量的倏逝声学涡旋；步骤二：设计具有特定拓扑荷数的声学涡旋超构表面；步骤三：使用步骤二的声学涡旋超构表面与步骤一的倏逝声学涡旋通过近场耦合相互作用实现轨道角动量转换过程，旋转声学涡旋超构表面获得声波传输相位
‑
180
°
到180
°
的连续调控。2.如权利要求1所述的基于近场轨道角动量转换的可调声波相位调制方法，其特征在于：步骤一实现方法为，所述的倏逝声学涡旋(evanescent acoustic vortex)是半径为R的刚性圆柱形波导管中声学涡旋本征模式的一种特殊形式；通常，刚性圆柱形波导管中的声场可以写成一系列不同加权系数声学涡旋本征波导模式的和，如式(1)所示：式中r，z为圆柱波导内的空间坐标；P
m,n
为第(m,n)阶本征波导模式的加权系数(即振幅)，j为虚数单位；J
m
(k
m,n
r)为第m阶柱贝塞尔函数；α
m,n
是方程dJ
m
(k
m,n
r)/d(k
m,n
r)|
r＝R
＝J
m
′
(α
m,n
)＝0第n阶根，故k
m,n
＝α
m,n
/R；是轴向波矢大小，k0为自由空间声波波矢量大小；描述声学涡旋所携带的轨道角动量，其中m为拓扑荷数，又称TC(topological charge)；当k
m,n
＞k0时，轴向波矢量k
z
是一个纯虚数，涡旋声场沿+z轴方向场呈指数衰减，是典型的倏逝场(evanescent field)；此时，声学涡旋本征模式无法在波导管中传播，即倏逝声学涡旋。3.如权利要求2所述的基于近场轨道角动量转换的可调声波相位调制方法，其特征在于：步骤二实现方法为，声学涡旋超构表面具有可设定的拓扑荷数，针对入射声涡旋可以通过引入额外的轨道角动量增量，改变透射声涡旋的拓扑荷数，实现声学轨道角动量转换；声学涡旋超构表面的设计方法：半径为R的圆柱形声学涡旋超构表面由K
×
L个扇形圆柱子单元组成，其中K为声学涡旋超构表面的拓扑荷数大小，L为子单元透射声场相位的离散级次；通过选取合适的声学结构并进行几何参数优化，每个扇形圆柱具有特定的透射声场相位和振幅调制系数，理想的子单元透射振幅为1，并且相邻两个子单元间的透射相位差为将上述扇形圆柱子单元按照透射声场相位大小，沿逆时针方向递增或递减的方式周期排列，组成声学涡旋超构表面。4.如权利要求3所述的基于近场轨道角动量转换的可调声波相位调制方法，其特征在于：步骤三实现方法为，在微纳光学领域，利用光子自旋角动量的转换可获得与微纳结构单元面内空间取向相关的几何相位(geometric phase)，通过设计各个微纳结构单元在二维平面内旋转取向能够实现复杂光场整形的功能；已知声学涡旋可携带特定的轨道角动量，因此，基于动量守恒
原理，将微纳光学中利用自旋角动量转换获得几何相位的思路推广到声学，将声学轨道角动量作为独立于声压场振幅和相位的自由度，利用轨道角动量转换过程得到声波传输相位的调控；该相位又被称为声学几何相位；为了简化分析，将式(2)所述的倏逝声学涡旋记为|m>；步骤二中声学涡旋超构表面将倏逝声学涡旋声场能量耦合成平面声波|0>的过程可以表示成式(3)：式(3)中，为声学涡旋超构表面的透射算符，θ
i
为声学涡旋超构表面的初始角度；沿+z轴方向，将产生倏逝声学涡旋的扬声器阵列沿逆时针方向旋转得到新的声场分布此时旋转前后的坐标系之间满足r
′
＝r，z
′
＝z；因此，旋转前后的涡旋声场满足式(4)：同时沿逆时针方向旋转倏逝声学涡旋和声学涡旋超构表面，旋转角度大小为则式(3)变为：结合式(3)和式(5)，得到：因此，旋转声学涡旋超构表面，其透射系数将得到一个额外的相位即声学几何相位；根据运动的相对性，固定声学涡旋超构表面，沿逆时针方向将倏逝声学涡旋旋转等价于固定倏逝声学涡旋超构表面，沿顺时针方向将声学涡旋超构表面则此时透射平面声波所携带的相位调制为由于透射平面声波信号的相移大小与扬声器阵列或编码超构表面旋转角度大小具有线性关系，因此能够显著提升声波相位调控的精度；定义产生倏逝声学涡旋的扬声器阵列与声学涡旋超构表面之间的距离为d，由式(2)可知，此时入射并耦合到声学涡旋超构表面的声场幅值的表达式为：当间隔d越大，则耦合进声学涡旋超构表面的声场能量平均强度就越低，进而出射的平面声波信号的振幅也就越小。5.如权利要求4所述的基于近场轨道角动量转换的可调声波相位调制方法，其特征在于：步骤一中，为了获得倏逝声学涡旋，刚性圆柱形波导管半径满足R＜α
m,n
/k0，n＝0；为了获得高质量的倏逝声学涡旋，使用M
×
N个微型扬声器组成扬声器阵列，其中M＝|m|为倏逝声学涡旋的拓扑荷数(TC)大小，N为扬声器驱动电压的相位离散级次，相邻扬声器驱动电压的相位差为扬声器阵列不同微型扬声器的驱动电压大小相等；为了优化和提升扬声器阵列的集成度，倏逝声学涡旋的拓扑荷数大小M为1，2和3，对应的微型扬声器驱动电压相位离散级次N为4，3和3，相邻扬声器驱动电压的相位差分别为
90
°
，120
°
和120
°
；为了方便扬声器阵列的安装，扬声器阵列中的微型扬声器沿角向方向等间隔排布，相邻扬声器之间的角度间隔为后续步骤中倏逝声涡旋只具有唯一的拓扑荷数，扬声器阵列产生的倏逝声涡旋如式(2)所示：6.如权利要求5所述的基于近场轨道角动量转换的可调声波相位调制方法，其特征在于：步骤二中，扇形圆柱子单元个数L≥4；扇形圆柱子单元透射声场的相位和振幅尽可能接近理想值；声学涡旋超构表面的拓扑荷数大小K等于倏逝声学涡旋的拓扑荷数大小M。7.如权利要求6所述的基于近场轨道角动量转换的可调声波相位调制方法，其特征在于：为了保证基于轨道角动量转换产生的平面声波信号振幅大小，扬声器与声学涡旋超构表面的距离在一个工作波长以下。8.一种基于轨道角动量转换的声场重构方法，基于如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的基于近场轨道角动量转换的可调声波相位调制方法实现，其特征在于：还包括步骤四，声学轨道角动量作为独立于声压场振幅和相位的自由度，基于轨道角动量转换的可调声波传输相位调控方法提升声场调控的维度，只需一次性设计，不需要重新调整声学人造结构的几何参数，通过旋转产生倏逝声学涡旋的扬声器阵列或声学涡旋超构表面实现对声场重构功能器件像素点相位的编码，简化和降低声场重构功能器件实现的复杂度和难度。9.如权利要求8所述的一种基于轨道角动量转换的声场重构方法，其特征在于：为了减小声场重构功能器件像素点的几何尺寸，提升像素点密度和信息存储容量，采用基于微型扬声器阵列产生的倏逝声学涡旋声源与声学涡旋超构表面通过近场耦合相互作用实现声学轨道角动量转换；倏逝声学涡旋可以突破波导管自身截止频率对管道最小内径的限制，可显著降低声学几何相位声场重构功能器件像素点的横向尺寸至亚波长大小，提升器件的信息存储密度，有效抑制高阶衍射的不利影响，提升重构声场的声场质量和分辨率；基于近场声学轨道角动量转换的声波相位调控方法能够进行像素点级别的相位独立和可重构调控，此时波导管透射端等价于一个声学点源，根据目标空...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘冰意，黄玲玲，魏群烁，苏照贤，王涌天，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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