一种耦合声涡旋发射器及其应用制造技术

本发明专利技术属于声学器件领域，涉及一种耦合声涡旋发射器及其应用，所述耦合声涡旋发射器，包括结构板，所述结构板上设置有若干按螺线分布的圆孔，若干所述圆孔的排布既位于一组逆时针旋转的螺线上，同时也位于一组顺时针旋转的螺线上。当入射声波通过耦合声涡旋发射器时，产生两个具有相反拓扑荷的涡旋声场，并且两个涡旋声场间相互作用形成声学花瓣波束，本发明专利技术的加工过程简单，可以广泛应用于声学通信和粒子操控等领域。子操控等领域。子操控等领域。

A coupled acoustic vortex emitter and its application

【技术实现步骤摘要】
一种耦合声涡旋发射器及其应用


[0001]本专利技术属于声学器件领域，涉及一种耦合声涡旋发射器及其应用。

技术介绍

[0002]携带轨道角动量的涡旋声束由于其在微粒操控以及声通信等方面具有显著的应用价值，在过去十年中被广泛研究。到目前为止，各种各样的涡旋声束被用于不同的领域。例如，聚焦声涡旋由于具有强的辐射力和力矩，使得其在粒子操控这一应用上展示了极大的优越性；贝塞尔涡旋具有传播不变性和非衍射特性，可以很好地用于信息的长距离传输；分数阶声涡旋具有径向不连续的相位和环形强度环上的低强度间隙，为微粒的传输和通信提供了额外的调制。
[0003]最近几年，在光学上，两个光涡旋之间的耦合引起了研究人员的广泛关注，导致了一系列有趣的现象，例如暗晶格、齿轮以及花瓣波束。在两个光涡旋中间，尤其是两个具有相反拓扑荷涡旋间的耦合在微粒操控、光学测量以及光学通信上有着巨大的潜在应用价值。
[0004]但是，在声学上，目前的研究大多基于单个声涡旋的产生和应用，针对两个涡旋间耦合的研究依旧很匮乏。由于正交特性，声涡旋可以用来增大声通信中信息信道容量，不同声涡旋间的轨道角动量是互不影响的，因此将声涡旋之间的耦合运用于声通信中是合理的。如何设计一种高效、简单、低成本的声学花瓣波束发射器直接实现两个涡旋间的耦合一直在声学领域是一个热点问题。
[0005]目前产生声学花瓣波束的方式主要依赖于主动换能器阵列，该方法通过将不同拓扑荷的声涡旋声压场信息叠加，并将叠加后的声场信息发送到换能器阵列上，来实现不同声涡旋间的耦合。然而，这种主动型的换能器阵列具有巨大的设计成本和繁琐的操作流程，限制了其在应用上的进一步发展。最近，一种被动型衍射声栅被提出，该结构是将两组螺缝直接叠加，来实现同时产生不同拓扑荷声涡旋的目的，但这种结构在实际中很难加工。因此为了进一步的实际应用，一种简单可加工的被动型声学人工结构实现耦合声涡旋的策略是迫切需要的。

技术实现思路

[0006]为改善现有技术的不足，本专利技术提供了一种可以产生声学花瓣波束的耦合声涡旋发射器，该发射器是一个完全简并的中心对称的圆孔声学人工结构板，声波通过在圆孔里的特殊衍射和透射声波之间的相互干涉能够在传播方向上同时产生具有相反拓扑荷数的声涡旋，并且通过两个声涡旋之间的相互作用来实现声学花瓣波束，耦合声涡旋的轨道角动量可以通过改变相邻圆孔的间隔角来调整。
[0007]为了实现上述的目的，本专利技术的一种耦合声涡旋发射器，包括结构板，所述结构板上设置有若干按螺线分布的圆孔，若干所述圆孔的排布既位于一组逆时针旋转的螺线上，也位于一组顺时针旋转的螺线上。
[0008]优选地，所述圆孔不连续地分布在螺线上，代替连续分布的螺缝。
[0009]根据本专利技术的实施方案，所述圆孔排布在M条逆时针旋转的螺线上，同时排布在M条顺时针旋转的螺线上，所述M为正整数。
[0010]优选地，位于M条逆时针旋转的螺线上的圆孔与位于M条顺时针旋转的螺线上的圆孔完全重合。
[0011]根据本专利技术的实施方案，每条螺线上的圆孔数量为N，所述N为正整数，例如所述N为2SM，其中，S为螺线的扭转次数。
[0012]优选地，每条螺线上相邻圆孔的角间隔为πM。
[0013]优选地，所述圆孔的直径为0.1
‑
1.6mm，例如为1mm。
[0014]根据本专利技术的实施方案，所述结构板的声阻抗值与周围背景介质声阻抗值的比值至少为20，优选地，所述结构板的声阻抗值与周围背景介质声阻抗值的比值大于30，例如为20、25、30、40。
[0015]根据本专利技术的实施方案，所述圆孔按阿基米德螺线、费马螺线或者菲涅尔螺线排布。
[0016]优选地，所述圆孔按阿基米德螺线排布，例如，所述圆孔按M条逆时针分布旋转的阿基米德螺线排布和/或M条顺时针旋转的阿基米德螺线排布。
[0017]优选地，所述逆时针旋转的阿基米德螺线的曲线方程为其中，θ的取值范围为0≤θ≤2πS，S为当前螺旋的扭转次数，S为大于等于1的正整数，λ是入射平面声波波长，M是阿基米德螺线的条数。
[0018]优选地，所述顺时针旋转的阿基米德螺线的曲线方程为其中，θ的取值范围为
‑
2πS≤θ≤0，S为当前螺旋的扭转次数，S为大于等于1的正整数，λ是入射平面声波波长，M是阿基米德螺线的条数。
[0019]根据本专利技术的实施方案，所述M条逆时针旋转的阿基米德螺线中，位于第根逆时针阿基米德螺线上的第个圆孔的位置为：
[0020][0021]其中，λ是入射平面声波波长，r0是螺旋线的初始半径，S是当前螺旋线的扭转次数，S为大于等于1的正整数。
[0022]优选地，当平面声波入射到所述M条逆时针旋转的阿基米德螺线后，一个拓扑荷为M的涡旋声场可以被产生。
[0023]例如，位于第1根逆时针旋转的阿基米德螺线上的第个圆孔的极坐标方程为和其中，r0是阿基米德螺旋线的初始半径，λ是
入射声平面声波波长，S是当前螺旋线的扭转次数，N是当前螺线上圆孔的数目，n1的取值是从1到N的正整数。
[0024]优选地，位于同一逆时针旋转的阿基米德螺线的其他圆孔，可以由第1根逆时针旋转的阿基米德螺线上的圆孔旋转2π/M,...,(M
‑
1)2π/M得到。
[0025]根据本专利技术的实施方案，所述M条顺时针旋转的阿基米德螺线中，位于第根顺时针旋转阿基米德螺线上的第个圆孔的位置可以表示为
[0026][0027]其中，λ是入射平面声波波长，r0是螺旋线的初始半径，S是当前螺旋线的扭转次数，S为大于等于1的正整数。
[0028]优选地，当平面声波入射到所述M条顺时针旋转的阿基米德螺线后，一个拓扑荷为
‑
M的涡旋声场可以被产生。
[0029]例如，位于第1根顺时针旋转的阿基米德螺线上的第个圆孔的极坐标方程为和其中，r0是阿基米德螺旋线的初始半径，λ是入射声平面波的波长，S是当前螺旋线的扭转次数，N是当前螺线上圆孔的数目，n1的取值是从1到N的正整数。
[0030]优选地，位于同一顺时针旋转的阿基米德螺线上的其他圆孔，可由位于第1根顺时针旋转的阿基米德螺线上的圆孔旋转2π/M,...,(M
‑
1)2π/M得到。
[0031]作为一个实例地，当N为2SM时，按M条逆时针旋转的阿基米德螺线排布和M条顺时针旋转的阿基米德螺线排布的两组圆孔是完全简并的，即位于第根逆时针旋转的阿基米德螺线上的第n
th
个圆孔与第根顺时针旋转的阿基米德螺线上的第n
th
个圆孔共享相同的位置。
[0032]优选地，所述发射器上圆孔按费马螺线排布，例如，所述圆孔按M条逆时针旋转的费马螺线排布或按M条顺时针旋转的费马螺线排布。
[0033]根据本专利技术的实施方案，所述M条逆时针旋转的费马螺线中，位于第根逆时针旋转的费马螺线的第个圆孔的位置可以表示为：
[0034][0035本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合声涡旋发射器，包括结构板，其特征在于，所述结构板上设置有若干按螺线分布的圆孔，若干所述圆孔的排布既位于一组逆时针旋转的螺线上，同时也位于一组顺时针旋转的螺线上。2.根据权利要求1所述的耦合声涡旋发射器，其特征在于，所述圆孔不连续地分布在螺线上，代替连续分布的螺缝。优选地，所述圆孔排布在M条逆时针旋转的螺线上，同时排布在M条顺时针旋转的螺线上，所述M为正整数。优选地，位于M条逆时针旋转的螺线上的圆孔与位于M条顺时针旋转的螺线上的圆孔完全重合。优选地，每条螺线上的圆孔数量为N，所述N为正整数，例如所述N为2SM，其中，S为螺线的扭转次数。优选地，每条螺线上相邻圆孔的角间隔为π/M。优选地，所述圆孔的直径为0.1
‑
1.6mm。3.根据权利要求1所述的耦合声涡旋发射器，其特征在于，所述圆孔按阿基米德螺线、费马螺线或者菲涅尔螺线排布。优选地，所述圆孔按阿基米德螺线排布，例如，所述圆孔按M条逆时针旋转的阿基米德螺线排布和/或M条顺时针旋转的阿基米德螺线排布。优选地，逆时针旋转的阿基米德螺线的曲线方程为其中，θ的取值范围为0≤θ≤2πS，S为当前螺线的扭转次数，S为大于等于1的正整数，λ是入射平面声波波长，M是阿基米德螺线的条数。优选地，顺时针旋转的阿基米德螺线的曲线方程为其中，θ的取值范围为
‑
2πS≤θ≤0，S为当前螺线的扭转次数，S为大于等于1的正整数，λ是入射平面声波波长，M是阿基米德螺线的条数。4.根据权利要求1所述的耦合声涡旋发射器，其特征在于，所述M条逆时针旋转的阿基米德螺线中，位于第根逆时针旋转的阿基米德螺线上的第个圆孔的位置为：其中，λ是入射平面声波波长，r0是螺旋线的初始半径，S是当前螺旋线的扭转次数，S为大于等于1的正整数。优选地，当平面声波入射到所述M条逆时针旋转的阿基米德螺线后，一个拓扑荷为M的涡旋声场可以被产生。优选地，位于第1根逆时针旋转的阿基米德螺线上的第个圆孔的极坐标方程为
和其中，r0是阿基米德螺旋线的初始半径，λ是入射声平面声波波长，S是当前螺旋线的扭转次数，N是当前螺线上圆孔的数目，n1的取值是从1到N的正整数。优选地，位于同一逆时针旋转的阿基米德螺线的其他圆孔，可以由第1根逆时针旋转的阿基米德螺线上的圆孔旋转2π/M,...,(M
‑
1)2π/M得到。5.根据权利要求1所述的耦合声涡旋发射器，其特征在于，所述M条顺时针分布的阿基米德螺线中，位于第根顺时针旋转阿基米德螺线上的第个圆孔的位置可以表示为其中，λ是入射平面声波波长，r0是螺旋线的初始半径，S是当前螺旋线的扭转次数，S为大于等于1的正整数。优选地，当平面声波入射到所述M条顺时针旋转的阿基米德螺线后，一个拓扑荷为
‑
M的涡旋声场可以被产生。优选地，位于第1根顺时针旋转的阿基米德螺线上的第个圆孔的极坐标方程为和其中，r0是阿基米德螺旋线的初始半径，λ是入射声平面...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新蕊，吴大建，罗艳春，姚洁，刘晓峻，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：