本發(fā)明屬于聲學(xué)位移測量領(lǐng)域，具體涉及一種基于聲學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的精密位移測量方法。

背景技術(shù)：

1、精確的位移測量在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中扮演者至關(guān)重要的角色，涵蓋了顯微鏡成像、先進(jìn)制造和引力波探測等多個領(lǐng)域。在過去幾十年中，光波由于其超高的頻率(通常約為100thz)以及與物質(zhì)的復(fù)雜相互作用，在從經(jīng)典物理到量子物理的廣泛應(yīng)用中，成為了精密位移測量的有力工具。近年來，納米光子學(xué)和微/納米制造技術(shù)的進(jìn)展推動了多種新方法的出現(xiàn)，包括光子齒輪，偏振編碼超表面和超振蕩場，這些方法已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的位移測量。值得注意的是，通過打破半波長衍射極限，研究者們已經(jīng)在實驗中證明了位移分辨能力超過“λ/800”(λ為工作波長)的方法。

2、然而，在一些特定的場景中，例如水下環(huán)境、生物組織和復(fù)雜的機械部件，光波并不是位移測量的最佳選擇。相比之下，聲波由于其高能量傳遞效率和出色的物體穿透性，在實現(xiàn)這一目標(biāo)方面具有巨大潛力。盡管有這些優(yōu)勢，如今，聲波很少用于高分辨率位移測量。造成這種情況的主要原因是聲波的頻率較低，通常不超過100mhz，比光低6個數(shù)量級，因而其分辨能力受到限制，無法與光波相匹配。例如，傳統(tǒng)的基于超聲脈沖回波的位移傳感器技術(shù)通常在0.35mhz下提供100μm的分辨率，對應(yīng)于大約λ/10的分辨率。雖然提高工作頻率可以提高分辨率，但這種直接的方法受到超聲換能器技術(shù)和相關(guān)設(shè)備固有成本的限制。同時，測量精度也受到多種因素的限制，包括回波采樣率、電子噪聲和算法處理。因此，在聲學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)超高分辨率位移測量仍然是一個充滿挑戰(zhàn)性的追求。因此，設(shè)計一種用于實現(xiàn)超高分辨率位移測量的聲學(xué)方法是十分有必要的。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明提供了一種基于聲學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的精密位移測量方法，通過測量透射波的干涉強度可以得到編碼在干涉強度中的微米尺度位移從而實現(xiàn)測量的功能，該方法對位移測量有著超高的分辨率。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種基于聲學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的精密位移測量方法，實現(xiàn)過程如下：

3、構(gòu)建一個位移測量器件，包括兩個耦合的具有人工拓?fù)浜伞纐的軌道元原子，并裝載著螺距為d的螺紋；通過旋轉(zhuǎn)其中一個軌道元原子實現(xiàn)模式空間中兩種不同傳輸途徑的透射波的干涉；

4、入射聲波通過第一個軌道元原子被分為兩束耦合的攜帶拓?fù)浜蔀?q和-q的兩束聲渦旋；當(dāng)旋轉(zhuǎn)第二個軌道元原子，其相對角位置為θ時，相對縱向位移為δd＝θd/(2π)；

5、兩束聲渦旋在模式空間中經(jīng)過不同的傳輸路徑最終引起透射波干涉強度i的變化i＝0.5imax[1+cos(4qπηδd/d)]exp(-γδd),其中，imax為歸一化干涉強度；η為制造完成后軌道元原子的相位畸變系數(shù)；γ為系統(tǒng)的衰減系數(shù)；δd＝a+bln(i+c)，其中，a,b,c均為擬合常數(shù)。

6、進(jìn)一步地，所述兩個軌道元原子均具有q組扇形元胞群，每組扇形元胞群由相移為“0”和“π”的兩種元胞組成。

7、進(jìn)一步地，所述軌道元原子利用3d打印技術(shù)，使用未來8200pro樹脂加工而成。

8、進(jìn)一步地，所述兩個元原子的厚度均為h＝0.5λ,半徑為r＝0.25λ。

9、進(jìn)一步地，所述兩個軌道元原子側(cè)面加裝與其一體化成型的外殼，以帶動元原子旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)兩個軌道元原子之間的聲波順利耦合。

10、進(jìn)一步地，所述扇形元胞由漸變的空間折疊超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計。

11、進(jìn)一步地，所述每個元胞對應(yīng)的圓心角為α＝π/q。

12、進(jìn)一步地，所述相移為“0”的扇形元胞直接使用扇形空腔。

13、進(jìn)一步地，所述相移為“π”的扇形元胞包括扇形腔及與內(nèi)外、側(cè)壁相連的聲硬板組成；通過改變相鄰兩個聲硬板之間的間距和聲硬板的高度找到高效透射且相移匹配的扇形元胞。

14、進(jìn)一步地，所述扇形腔的側(cè)壁厚為t＝1mm。

15、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中的一個軌道元原子實現(xiàn)了模式空間中兩種不同傳輸途徑的透射波的干涉；進(jìn)一步，通過將位移信息編碼在干涉強度中，實現(xiàn)了聲學(xué)精密位移測量，且對位移測量有著超高的分辨率。

技術(shù)特征：

1.一種基于聲學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的精密位移測量方法，其特征在于，實現(xiàn)過程如下：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聲學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的精密位移測量方法，其特征在于，所述兩個軌道元原子均具有q組扇形元胞群，每組扇形元胞群由相移為“0”和“π”的兩種元胞組成。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聲學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的精密位移測量方法，其特征在于，所述軌道元原子利用3d打印技術(shù)，使用未來8200pro樹脂加工而成。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聲學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的精密位移測量方法，其特征在于，所述兩個元原子的厚度均為h＝0.5λ,半徑為r＝0.25λ。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聲學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的精密位移測量方法，其特征在于，所述兩個軌道元原子側(cè)面加裝與其一體化成型的外殼，以帶動元原子旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)兩個軌道元原子之間的聲波順利耦合。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于聲學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的精密位移測量方法，其特征在于，所述扇形元胞由漸變的空間折疊超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于聲學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的精密位移測量方法，其特征在于，所述每個元胞對應(yīng)的圓心角為α＝π/q。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于聲學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的精密位移測量方法，其特征在于，所述相移為“0”的扇形元胞直接使用扇形空腔。

9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于聲學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的精密位移測量方法，其特征在于，所述相移為“π”的扇形元胞包括扇形腔及與內(nèi)外、側(cè)壁相連的聲硬板組成；通過改變相鄰兩個聲硬板之間的間距和聲硬板的高度找到高效透射且相移匹配的扇形元胞。

10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于聲學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的精密位移測量方法，其特征在于，所述扇形腔的側(cè)壁厚為t＝1mm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于聲學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的精密位移測量方法，首先，構(gòu)建一個位移測量器件，包括兩個耦合的具有人工拓?fù)浜伞纐的軌道元原子，并裝載著螺距為d的螺紋；通過旋轉(zhuǎn)其中一個軌道元原子實現(xiàn)模式空間中兩種不同傳輸途徑的透射波的干涉；其次，入射聲波通過第一個軌道元原子被分為兩束耦合的攜帶拓?fù)浜蔀?q和?q的兩束聲渦旋；當(dāng)旋轉(zhuǎn)第二個軌道元原子，其相對角位置為θ時，相對縱向位移為Δd＝θd/(2π)；兩束聲渦旋在模式空間中經(jīng)過不同的傳輸路徑最終引起透射波干涉強度I的變化，從而實現(xiàn)了微米尺度的位移測量。本發(fā)明通過將位移信息編碼在干涉強度中，實現(xiàn)了聲學(xué)精密位移測量，且對位移測量有著超高的分辨率。

技術(shù)研發(fā)人員：伏洋洋,李瀟,李衛(wèi)冕,李春豪,陳昌東,施瑤瑤,董大興,劉友文
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/28