一種寬頻穩(wěn)定的多臂折疊型聲學(xué)渦旋場發(fā)射器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種寬頻穩(wěn)定的多臂折疊型聲學(xué)渦旋場發(fā)射器，包括基板，所述基板上設(shè)有n個螺旋槽，n為正整數(shù)；基板上有一個螺旋槽時，螺旋槽的兩根螺旋曲線為：和當(dāng)基板上設(shè)有至少兩個螺旋槽時，第m個螺旋槽的兩根螺旋曲線為和m≤n，m為正整數(shù)。本發(fā)明是一種平面形結(jié)構(gòu)，其在傳播方向(假設(shè)傳播方向為z方向)上的厚度幾乎不受限制，既可以做成超薄的片狀(最小約為3mm)，也可以根據(jù)具體需求做成更厚的圓柱體，而整個發(fā)射器在x?y平面內(nèi)的半徑僅為3.6cm，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的臂的數(shù)目，可以產(chǎn)生相應(yīng)階數(shù)的聲學(xué)渦旋場，其不需要任何的電路調(diào)控手段，僅靠自身的結(jié)構(gòu)特性就可以實現(xiàn)上述功能。
【專利說明】
一種寬頻穩(wěn)定的多臂折疊型聲學(xué)渦旋場發(fā)射器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及寬頻穩(wěn)定的多臂折疊型聲學(xué)渦旋場發(fā)射器，屬于聲學(xué)器件領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 對攜帶軌道角動量、具有螺旋形相位分布特點的聲學(xué)渦旋場的研究，在實際中具 有重要價值。如何設(shè)計出一種寬頻帶、階數(shù)穩(wěn)定的聲學(xué)渦旋場發(fā)射器，一直是相關(guān)領(lǐng)域的一 個研究熱點。
[0003] 在目前已有的技術(shù)水平上，聲學(xué)渦旋場發(fā)射器主要可以分為兩種，一種是利用大 量的聲學(xué)換能器排布成聲學(xué)陣列，并通過電學(xué)手段獨立地控制每一個換能器的相位延時， 將整個換能器陣列視為一個渦旋場發(fā)射器，所產(chǎn)生的總聲場為單個換能器的疊加;第二種 發(fā)射器是利用其厚度在傳播方向上呈螺旋分布的特點，導(dǎo)致在聲學(xué)平面波入射時，聲波在 結(jié)構(gòu)的不同位置處等效的傳播路徑的長度不同，從而產(chǎn)生聲學(xué)渦旋場。
[0004] 然而，目前的這兩種聲學(xué)渦旋場發(fā)射器，都存在各自的缺陷和不足。第一種聲學(xué)渦 旋場發(fā)射器中，整個聲學(xué)陣列通常需要幾百甚至上千個聲學(xué)換能器，通過繁冗復(fù)雜的電路 對每一個換能器單獨調(diào)控，將帶來的巨大的成本和復(fù)雜的操作過程。入射聲波的頻率越高， 對應(yīng)的聲波波長越短，而當(dāng)單個換能器的尺寸達到聲波波長的數(shù)量級時，聲學(xué)陣列的方法 將失效，因此，用聲學(xué)陣列的方法幾乎不能夠產(chǎn)生高頻率的聲學(xué)渦旋場。而第二種聲學(xué)渦旋 場發(fā)射器僅能針對單一的頻率有效。換言之，當(dāng)所需要產(chǎn)生的渦旋場的頻率變化時，必須要 更改結(jié)構(gòu)厚度的螺旋分布函數(shù)，以達到所需的相位延時分布要求。同時，螺旋狀幾何厚度使 得這種結(jié)構(gòu)在入射端和出射端不可能具有平面的形狀，而平面狀、小體積的特點在實際的 應(yīng)用中具有非常重要的價值。此外，由上述兩種發(fā)射器產(chǎn)生的聲學(xué)渦旋場，僅能夠在傳播方 向上很短的距離內(nèi)保證渦旋場的階數(shù)穩(wěn)定不變。產(chǎn)生穩(wěn)定階數(shù)的聲學(xué)渦旋場，是非常必要 和重要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種寬頻穩(wěn)定的多臂折 疊型聲學(xué)渦旋場發(fā)射器，通過聲波在結(jié)構(gòu)中特殊衍射，能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)，在傳播方 向上產(chǎn)生階數(shù)穩(wěn)定且可調(diào)控的聲學(xué)渦旋場。
[0006] 技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的寬頻穩(wěn)定的多臂折疊型聲學(xué)渦旋場發(fā)射器， 包括基板，包括基板，所述基板上設(shè)有η個螺旋槽，η為正整數(shù);基板上有一個螺旋槽時，螺旋 槽的兩根螺旋曲線為：ri = aieb<^Pr2 = a2eb0，5mm < ai < 15mm，ai+0 · 5mm < a2 < ai+2 · 5mm， 0.0215 < b < 0.0235，Θ的取值從〇到1231;當(dāng)基板上設(shè)有至少兩個螺旋槽時，第m個螺旋槽的
,m < < ai < 15mm，ai+0 · 5mm < a2 < ai+2 · 5mm，0 · 0441 < b < 0 · 912，Θ 的取值從〇到 12/ηιτ。
[0007] 作為優(yōu)選，所述基板的聲阻抗至少為背景介質(zhì)聲阻抗的20倍。
[0008] 作為優(yōu)選，所述基板上有一個螺旋槽，兩根螺旋線的方程Sri = aieb<^Pr2 = a2eb0， ai=13.8mm，a2 = 14.85mm，b = 0.0225,9 的取值從 0 到 1231。
[0009] 作為優(yōu)選，所述基板上有兩個螺旋槽，第m個的螺旋槽的兩根螺旋線的方程為
，m< 2，m為正整數(shù)，ai = 13.8mm，a2 = 14.85mm， b = 0.0451，Θ的取值從〇到631。
[0010] 作為優(yōu)選，所述基板上有三個螺旋槽，第m個的螺旋槽的兩根螺旋線的方程為
，m < 3，m為正整數(shù)，ai = 13.8mm，a2 = 14.85mm， 匕=〇.〇676，0的取值從〇到431。
[0011] 作為優(yōu)選，所述基板上有四個螺旋槽，第m個的螺旋槽的兩根螺旋線的方程為
，m < 4，m為正整數(shù)，ai = 13.8mm，a2 = 14.85mm， b = 0.0902，Θ的取值從〇到331。
[0012] 有益效果:本發(fā)明的寬頻穩(wěn)定的多臂折疊型聲學(xué)渦旋場發(fā)射器，是一種平面形結(jié) 構(gòu)，其在傳播方向（假設(shè)傳播方向為z方向）上的厚度幾乎不受限制，既可以做成超薄的片狀 (最小約為3mm)，也可以根據(jù)具體需求做成更厚的圓柱體，而整個發(fā)射器在x-y平面內(nèi)的半 徑僅為3.6cm，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的臂的數(shù)目，可以產(chǎn)生相應(yīng)階數(shù)的聲學(xué)渦旋場，其不需要任何 的電路調(diào)控手段，僅靠自身的結(jié)構(gòu)特性就可以實現(xiàn)上述功能。
【附圖說明】
[0013] 圖1為一階聲學(xué)渦旋場的單臂折疊型發(fā)射器的設(shè)計示意圖。
[0014] 圖2為二階聲學(xué)渦旋場的雙臂折疊型發(fā)射器的設(shè)計示意圖。
[0015]圖3為三階聲學(xué)渦旋場的三臂折疊型發(fā)射器的設(shè)計示意圖。
[0016] 圖4為四階聲學(xué)渦旋場的四臂折疊型發(fā)射器的設(shè)計示意圖。
[0017] 圖5為圖1的仿真相位分布圖。
[0018] 圖6為圖2的仿真相位分布圖。
[0019] 圖7為圖3的仿真相位分布圖。
[0020] 圖8為圖4的仿真相位分布圖。
[0021] 圖9為4251^^、6251^^，距離出射面0.85人、2.5人和5人的平面上，繞渦旋場的一個圓 周上，相位變化曲線的實驗和仿真結(jié)果對比圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0023] 如圖1所示，基板上開設(shè)有一個螺旋槽，螺旋槽的內(nèi)外兩根螺旋線的方程為^ = aieb1Pr2 = a2eb0，ai = 13 · 8mm，a2 = 14 · 85mm，b = 0.0225,9的取值從 〇到 12π?；蹇梢愿鶕?jù)需 要做成各種不同的形狀。
[0024] 如圖2所示，基板上有兩個螺旋槽，第m個的螺旋槽的兩根螺旋線的方程為
，m < 2，m為正整數(shù)，ai = 13.8mm，a2 = 14.85mm， b = 0.0451，Θ的取值從〇到631。兩個螺旋槽的形狀完全一樣，第二個螺旋槽相當(dāng)于第一個螺 旋槽旋轉(zhuǎn)180°。
[0025] 如圖3所示，基板上有三個螺旋槽，第m個的螺旋槽的兩根螺旋線的方程為
，m< 3，m為正整數(shù)，ai = 13.8mm，a2 = 14.85mm， b = 0.0676, Θ的取值從〇到4jt。三個螺旋槽形狀完全一樣，第二個螺旋槽和第三個螺旋槽相 當(dāng)于第一個螺旋槽分別旋轉(zhuǎn)120度和240度。
[0026] 如圖4所示，基板上有四個螺旋槽，第m個的螺旋槽的兩根螺旋線的方程為
,m< 4，m為正整數(shù)，ai = 13.8mm，a2 = 14.85mm， b = 0.0902，Θ的取值從〇到加。四個螺旋槽形狀完全一樣，第二個螺旋槽、第三個螺旋槽和第 四個螺旋槽相當(dāng)于第一個螺旋槽分別旋轉(zhuǎn)90度、180度和270度。
[0027]對圖1至圖4的四種結(jié)構(gòu)進行仿真，背景介質(zhì)設(shè)定為水，入射聲波的頻率從300kHz 逐漸增大到750kHz，基板的材料17-4不銹鋼。如圖5至圖8所示，分別為相應(yīng)的多臂折疊型聲 學(xué)渦旋場發(fā)生器在425kHz、距離出射面2.5個波長的平面內(nèi)，所產(chǎn)生的一階、二階、三階、四 階聲禍旋場的相位分布圖。相應(yīng)的相位分布在一個圓周內(nèi)出現(xiàn)一次、二次、三次、四次2 π的 突變，這些特征與相應(yīng)階數(shù)的聲學(xué)渦旋場的性質(zhì)吻合，說明所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠完美地產(chǎn)生 出所要求的聲學(xué)渦旋場。
[0028] 如圖9a所示，基板上開設(shè)有一個螺旋槽，入射聲波頻率為425kHz、625kHz，沿傳播 方向距離出射面2.5λ平面上，在渦旋場的一個圓周上，相位變化曲線的實驗和仿真結(jié)果對 比圖；如圖9b所示，基板上開設(shè)有四個螺旋槽，入射聲波頻率為425kHz、625kHz，沿傳播方向 距離出射面2.5λ平面上，在渦旋場的一個圓周上，相位變化曲線的實驗和仿真結(jié)果對比圖， 這說明所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠在寬頻的范圍內(nèi)產(chǎn)生所需的聲學(xué)渦旋場;如圖9c所示，基板上開 設(shè)有一個螺旋槽，入射聲波頻率為425kHz，沿傳播方向距離出射面0.85λ、2.5λ和5λ平面上， 在渦旋場的一個圓周上，相位變化曲線的實驗和仿真結(jié)果對比圖；如圖9d所示，基板上開設(shè) 有四個螺旋槽，入射聲波頻率為425kHz，沿傳播方向距離出射面0.85λ、2.5λ和5λ平面上，在 渦旋場的一個圓周上，相位變化曲線的實驗和仿真結(jié)果對比圖。這說明所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠 在傳播方向上很寬的范圍內(nèi)產(chǎn)生階數(shù)穩(wěn)定的聲學(xué)渦旋場。
[0029]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種寬頻穩(wěn)定的多臂折疊型聲學(xué)渦旋場發(fā)射器，其特征在于:包括基板，所述基板上 設(shè)有η個螺旋槽，η為正整數(shù);基板上有一個螺旋槽時，螺旋槽的兩根螺旋曲線為:ri = aieb0 和r2 = a2ebe，5mm < ai < 15mm，ai+O · 5mm < a2 < ai+2.5mm，0.0215<b<0.0235,9的取值從 〇 到 1 2 π ;當(dāng)基板上設(shè)有至少兩個螺旋槽時，第m個螺旋槽的兩根螺旋曲線為< n，m為正整類女，5mm < ai < 15mm,ai+0.5mm < a2 < ai+2 · 5mm，0 · 0441 < b < 0 · 912，Θ 的取值從〇到 12/ηπ。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻穩(wěn)定的多臂折疊型聲學(xué)渦旋場發(fā)射器，其特征在于:所述 基板的聲阻抗至少為背景介質(zhì)聲阻抗的20倍。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬頻穩(wěn)定的多臂折疊型聲學(xué)渦旋場發(fā)射器，其特征在于:所述 基板上有一個螺旋槽，兩根螺旋線的方程為ri = aieb<^Pr2 = a2eb0，ai = 13.8mm，a2 = 14.85謹沁=0.0225,9的取值從0到1231。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬頻穩(wěn)定的多臂折疊型聲學(xué)渦旋場發(fā)射器，其特征在于:所述 基板上有兩個螺旋槽，第m個的螺旋槽的兩根螺旋線的方程為& = ai e 〃 θ+1?12?和 r2 - a2eb (θ+~5 ) :，m< 2，m為正整數(shù)，&1 = 13.8111111，&2 = 14.85111111，匕=0.0451，9的取值從0 到6π。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬頻穩(wěn)定的多臂折疊型聲學(xué)渦旋場發(fā)射器，其特征在于:所述 基板上有三個螺旋槽，第m個的螺旋槽的兩根螺旋線的方程為ri = 和 ?Τ?* 2 TC' 2.ΤΓ r2 = a2eb ca+ i .) 3，m為正整數(shù)，&1 = 13.8臟，&2 = 14.85111111，匕=0.0676,9的取值從〇 到4π。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬頻穩(wěn)定的多臂折疊型聲學(xué)渦旋場發(fā)射器，其特征在于:所述 基板上有四個螺旋槽，第m個的螺旋槽的兩根螺旋線的方程為& = αιΖ 和 r2 = a2eb C〇+ ^^，m< 4，m為正整數(shù)，&1 = 13.8臟，82=14.85臟，13 = 0.0902,9的取值從〇 到 3jid
【文檔編號】G10K11/18GK105869620SQ201610177364
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月25日
【發(fā)明人】梁彬, 江雪, 趙家俊, 劉石磊, 鄒欣曄, 程建春
【申請人】南京大學(xué)