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