一种宽频稳定的多臂折叠型声学涡旋场发射器的制造方法

文档序号:10513492
一种宽频稳定的多臂折叠型声学涡旋场发射器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种宽频稳定的多臂折叠型声学涡旋场发射器,包括基板,所述基板上设有n个螺旋槽,n为正整数;基板上有一个螺旋槽时,螺旋槽的两根螺旋曲线为:和当基板上设有至少两个螺旋槽时,第m个螺旋槽的两根螺旋曲线为和m≤n,m为正整数。本发明是一种平面形结构,其在传播方向(假设传播方向为z方向)上的厚度几乎不受限制,既可以做成超薄的片状(最小约为3mm),也可以根据具体需求做成更厚的圆柱体,而整个发射器在x?y平面内的半径仅为3.6cm,通过调整结构的臂的数目,可以产生相应阶数的声学涡旋场,其不需要任何的电路调控手段,仅靠自身的结构特性就可以实现上述功能。
【专利说明】
一种宽频稳定的多臂折叠型声学涡旋场发射器
技术领域
[0001] 本发明涉及宽频稳定的多臂折叠型声学涡旋场发射器,属于声学器件领域。
【背景技术】
[0002] 对携带轨道角动量、具有螺旋形相位分布特点的声学涡旋场的研究,在实际中具 有重要价值。如何设计出一种宽频带、阶数稳定的声学涡旋场发射器,一直是相关领域的一 个研究热点。
[0003] 在目前已有的技术水平上,声学涡旋场发射器主要可以分为两种,一种是利用大 量的声学换能器排布成声学阵列,并通过电学手段独立地控制每一个换能器的相位延时, 将整个换能器阵列视为一个涡旋场发射器,所产生的总声场为单个换能器的叠加;第二种 发射器是利用其厚度在传播方向上呈螺旋分布的特点,导致在声学平面波入射时,声波在 结构的不同位置处等效的传播路径的长度不同,从而产生声学涡旋场。
[0004] 然而,目前的这两种声学涡旋场发射器,都存在各自的缺陷和不足。第一种声学涡 旋场发射器中,整个声学阵列通常需要几百甚至上千个声学换能器,通过繁冗复杂的电路 对每一个换能器单独调控,将带来的巨大的成本和复杂的操作过程。入射声波的频率越高, 对应的声波波长越短,而当单个换能器的尺寸达到声波波长的数量级时,声学阵列的方法 将失效,因此,用声学阵列的方法几乎不能够产生高频率的声学涡旋场。而第二种声学涡旋 场发射器仅能针对单一的频率有效。换言之,当所需要产生的涡旋场的频率变化时,必须要 更改结构厚度的螺旋分布函数,以达到所需的相位延时分布要求。同时,螺旋状几何厚度使 得这种结构在入射端和出射端不可能具有平面的形状,而平面状、小体积的特点在实际的 应用中具有非常重要的价值。此外,由上述两种发射器产生的声学涡旋场,仅能够在传播方 向上很短的距离内保证涡旋场的阶数稳定不变。产生稳定阶数的声学涡旋场,是非常必要 和重要的。

【发明内容】

[0005] 发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种宽频稳定的多臂折 叠型声学涡旋场发射器,通过声波在结构中特殊衍射,能够在很宽的频率范围内,在传播方 向上产生阶数稳定且可调控的声学涡旋场。
[0006] 技术方案:为实现上述目的,本发明的宽频稳定的多臂折叠型声学涡旋场发射器, 包括基板,包括基板,所述基板上设有η个螺旋槽,η为正整数;基板上有一个螺旋槽时,螺旋 槽的两根螺旋曲线为:ri = aieb<^Pr2 = a2eb0,5mm < ai < 15mm,ai+0 · 5mm < a2 < ai+2 · 5mm, 0.0215 < b < 0.0235,Θ的取值从〇到1231;当基板上设有至少两个螺旋槽时,第m个螺旋槽的
,m < < ai < 15mm,ai+0 · 5mm < a2 < ai+2 · 5mm,0 · 0441 < b < 0 · 912,Θ 的取值从〇到 12/ηιτ。
[0007] 作为优选,所述基板的声阻抗至少为背景介质声阻抗的20倍。
[0008] 作为优选,所述基板上有一个螺旋槽,两根螺旋线的方程Sri = aieb<^Pr2 = a2eb0, ai=13.8mm,a2 = 14.85mm,b = 0.0225,9 的取值从 0 到 1231。
[0009] 作为优选,所述基板上有两个螺旋槽,第m个的螺旋槽的两根螺旋线的方程为
,m< 2,m为正整数,ai = 13.8mm,a2 = 14.85mm, b = 0.0451,Θ的取值从〇到631。
[0010] 作为优选,所述基板上有三个螺旋槽,第m个的螺旋槽的两根螺旋线的方程为
,m < 3,m为正整数,ai = 13.8mm,a2 = 14.85mm, 匕=〇.〇676,0的取值从〇到431。
[0011] 作为优选,所述基板上有四个螺旋槽,第m个的螺旋槽的两根螺旋线的方程为
,m < 4,m为正整数,ai = 13.8mm,a2 = 14.85mm, b = 0.0902,Θ的取值从〇到331。
[0012] 有益效果:本发明的宽频稳定的多臂折叠型声学涡旋场发射器,是一种平面形结 构,其在传播方向(假设传播方向为z方向)上的厚度几乎不受限制,既可以做成超薄的片状 (最小约为3mm),也可以根据具体需求做成更厚的圆柱体,而整个发射器在x-y平面内的半 径仅为3.6cm,通过调整结构的臂的数目,可以产生相应阶数的声学涡旋场,其不需要任何 的电路调控手段,仅靠自身的结构特性就可以实现上述功能。
【附图说明】
[0013] 图1为一阶声学涡旋场的单臂折叠型发射器的设计示意图。
[0014] 图2为二阶声学涡旋场的双臂折叠型发射器的设计示意图。
[0015]图3为三阶声学涡旋场的三臂折叠型发射器的设计示意图。
[0016] 图4为四阶声学涡旋场的四臂折叠型发射器的设计示意图。
[0017] 图5为图1的仿真相位分布图。
[0018] 图6为图2的仿真相位分布图。
[0019] 图7为图3的仿真相位分布图。
[0020] 图8为图4的仿真相位分布图。
[0021] 图9为4251^^、6251^^,距离出射面0.85人、2.5人和5人的平面上,绕涡旋场的一个圆 周上,相位变化曲线的实验和仿真结果对比图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0023] 如图1所示,基板上开设有一个螺旋槽,螺旋槽的内外两根螺旋线的方程为^ = aieb1Pr2 = a2eb0,ai = 13 · 8mm,a2 = 14 · 85mm,b = 0.0225,9的取值从 〇到 12π。基板可以根据需 要做成各种不同的形状。
[0024] 如图2所示,基板上有两个螺旋槽,第m个的螺旋槽的两根螺旋线的方程为
,m < 2,m为正整数,ai = 13.8mm,a2 = 14.85mm, b = 0.0451,Θ的取值从〇到631。两个螺旋槽的形状完全一样,第二个螺旋槽相当于第一个螺 旋槽旋转180°。
[0025] 如图3所示,基板上有三个螺旋槽,第m个的螺旋槽的两根螺旋线的方程为
,m< 3,m为正整数,ai = 13.8mm,a2 = 14.85mm, b = 0.0676, Θ的取值从〇到4jt。三个螺旋槽形状完全一样,第二个螺旋槽和第三个螺旋槽相 当于第一个螺旋槽分别旋转120度和240度。
[0026] 如图4所示,基板上有四个螺旋槽,第m个的螺旋槽的两根螺旋线的方程为
,m< 4,m为正整数,ai = 13.8mm,a2 = 14.85mm, b = 0.0902,Θ的取值从〇到加。四个螺旋槽形状完全一样,第二个螺旋槽、第三个螺旋槽和第 四个螺旋槽相当于第一个螺旋槽分别旋转90度、180度和270度。
[0027]对图1至图4的四种结构进行仿真,背景介质设定为水,入射声波的频率从300kHz 逐渐增大到750kHz,基板的材料17-4不锈钢。如图5至图8所示,分别为相应的多臂折叠型声 学涡旋场发生器在425kHz、距离出射面2.5个波长的平面内,所产生的一阶、二阶、三阶、四 阶声祸旋场的相位分布图。相应的相位分布在一个圆周内出现一次、二次、三次、四次2 π的 突变,这些特征与相应阶数的声学涡旋场的性质吻合,说明所设计的结构能够完美地产生 出所要求的声学涡旋场。
[0028] 如图9a所示,基板上开设有一个螺旋槽,入射声波频率为425kHz、625kHz,沿传播 方向距离出射面2.5λ平面上,在涡旋场的一个圆周上,相位变化曲线的实验和仿真结果对 比图;如图9b所示,基板上开设有四个螺旋槽,入射声波频率为425kHz、625kHz,沿传播方向 距离出射面2.5λ平面上,在涡旋场的一个圆周上,相位变化曲线的实验和仿真结果对比图, 这说明所设计的结构能够在宽频的范围内产生所需的声学涡旋场;如图9c所示,基板上开 设有一个螺旋槽,入射声波频率为425kHz,沿传播方向距离出射面0.85λ、2.5λ和5λ平面上, 在涡旋场的一个圆周上,相位变化曲线的实验和仿真结果对比图;如图9d所示,基板上开设 有四个螺旋槽,入射声波频率为425kHz,沿传播方向距离出射面0.85λ、2.5λ和5λ平面上,在 涡旋场的一个圆周上,相位变化曲线的实验和仿真结果对比图。这说明所设计的结构能够 在传播方向上很宽的范围内产生阶数稳定的声学涡旋场。
[0029]以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人 员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种宽频稳定的多臂折叠型声学涡旋场发射器,其特征在于:包括基板,所述基板上 设有η个螺旋槽,η为正整数;基板上有一个螺旋槽时,螺旋槽的两根螺旋曲线为:ri = aieb0 和r2 = a2ebe,5mm < ai < 15mm,ai+O · 5mm < a2 < ai+2.5mm,0.0215<b<0.0235,9的取值从 〇 到 1 2 π ;当基板上设有至少两个螺旋槽时,第m个螺旋槽的两根螺旋曲线为< n,m为正整类女,5mm < ai < 15mm,ai+0.5mm < a2 < ai+2 · 5mm,0 · 0441 < b < 0 · 912,Θ 的取值从〇到 12/ηπ。2. 根据权利要求1所述的宽频稳定的多臂折叠型声学涡旋场发射器,其特征在于:所述 基板的声阻抗至少为背景介质声阻抗的20倍。3. 根据权利要求2所述的宽频稳定的多臂折叠型声学涡旋场发射器,其特征在于:所述 基板上有一个螺旋槽,两根螺旋线的方程为ri = aieb<^Pr2 = a2eb0,ai = 13.8mm,a2 = 14.85謹沁=0.0225,9的取值从0到1231。4. 根据权利要求2所述的宽频稳定的多臂折叠型声学涡旋场发射器,其特征在于:所述 基板上有两个螺旋槽,第m个的螺旋槽的两根螺旋线的方程为& = ai e 〃 θ+1?12?和 r2 - a2eb (θ+~5 ) :,m< 2,m为正整数,&1 = 13.8111111,&2 = 14.85111111,匕=0.0451,9的取值从0 到6π。5. 根据权利要求2所述的宽频稳定的多臂折叠型声学涡旋场发射器,其特征在于:所述 基板上有三个螺旋槽,第m个的螺旋槽的两根螺旋线的方程为ri = 和 ?Τ?* 2 TC' 2.ΤΓ r2 = a2eb ca+ i .) 3,m为正整数,&1 = 13.8臟,&2 = 14.85111111,匕=0.0676,9的取值从〇 到4π。6. 根据权利要求2所述的宽频稳定的多臂折叠型声学涡旋场发射器,其特征在于:所述 基板上有四个螺旋槽,第m个的螺旋槽的两根螺旋线的方程为& = αιΖ 和 r2 = a2eb C〇+ ^^,m< 4,m为正整数,&1 = 13.8臟,82=14.85臟,13 = 0.0902,9的取值从〇 到 3jid
【文档编号】G10K11/18GK105869620SQ201610177364
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】梁彬, 江雪, 赵家俊, 刘石磊, 邹欣晔, 程建春
【申请人】南京大学
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