平面反射镜和声悬浮装置的制作方法

本申请涉及声悬浮，尤其涉及一种平面反射镜和声悬浮装置。

背景技术：

1、声悬浮是指利用声辐射力将物体悬浮在空中。相对于电磁悬浮，声悬浮对悬浮物的导电性、磁性没有要求，因此进一步发展出了无接触颗粒筛选、无接触靶向传送、超声波3d打印等技术。除此之外，声悬浮装置在悬浮物体时具有较高的观赏性，所以声悬浮装置在声学科普活动中或在教学实验中被广泛使用。

2、目前单轴声悬浮装置有三种常用的技术路径：(1)两个换能器/两组换能器阵列按相对方向布置，利用声波叠加后的声辐射力使物体悬浮在空中；(2)一个换能器/一组换能器阵列和一块反射镜组成声悬浮装置，利用出射波和反射波叠加后的声辐射力使物体悬浮在空中；(3)单个凹面换能器/平面波换能器或阵列结合声波聚焦透镜/一组换能器相控阵列构成声悬浮装置，利用聚焦波束的声辐射力悬浮物体。

技术实现思路

1、鉴于现有单轴声悬浮装置对悬浮物状态控制的局限，本申请提供一种平面反射镜和声悬浮装置，以解决相关技术中的部分或者全部不足。

2、本申请第一方面提供一种平面反射镜，用于反射声波。平面反射镜包括基板和涡旋聚焦槽。基板包括上表面。涡旋聚焦槽设置于所述基板；所述涡旋聚焦槽的开口方向朝向所述上表面。所述涡旋聚焦槽包括凹槽底面。所述凹槽底面与所述上表面平行。其中，所述上表面所反射的第一反射声波、与所述凹槽底面所反射的第二反射声波聚焦于所述平面反射镜的焦点；所述第一反射声波和所述第二反射声波存在相位差。

3、进一步地，所述相位差的绝对值大于或者等于90°、且小于或者等于270°。

4、进一步地，所述相位差的绝对值为180°。

5、进一步地，所述涡旋聚焦槽的深度满足如下公式：

6、

7、其中，h为所述涡旋聚焦槽的深度，n为自然数、k为深度系数，λ为所述声波的波长；所述深度系数为正数且为非整数。

8、进一步地，所述深度系数满足如下公式：

9、

10、其中，a为自然数。

11、进一步地，所述涡旋聚焦槽在所述上表面上的投影包括第一线条和第二线条；所述第一线条和所述第二线条为阿基米德螺旋线。

12、进一步地，所述阿基米德螺旋线的半径公式为：

13、

14、其中，r为所述阿基米德螺旋线的半径，θ为角坐标，m为所述阿基米德螺旋线的总数量，m为所述阿基米德螺旋线的序号，λ为所述声波的波长，f为所述平面反射镜的焦距。

15、进一步地，所述涡旋聚焦槽的数量包括多个；多个所述涡旋聚焦槽围绕所述平面反射镜的中心轴线等角度间隔地分布于所述基板。

16、进一步地，多个所述涡旋聚焦槽的形状相同。

17、进一步地，所述平面反射镜由金属和/或塑料形成。

18、本申请第二方面提供一种声悬浮装置，包括平面反射镜、发射换能器阵列以及悬浮空间。平面反射镜用于反射声波，包括基板和涡旋聚焦槽。基板包括上表面。涡旋聚焦槽设置于所述基板；所述涡旋聚焦槽的开口方向朝向所述上表面。所述涡旋聚焦槽包括凹槽底面。所述凹槽底面与所述上表面平行。其中，所述上表面所反射的第一反射声波、与所述凹槽底面所反射的第二反射声波聚焦于所述平面反射镜的焦点；所述第一反射声波和所述第二反射声波存在相位差。发射换能器阵列用于发射声波。所述上表面朝向所述发射换能器阵列设置。悬浮空间设置于所述发射换能器阵列和所述上表面之间。

19、进一步地，所述发射换能器阵列包括电路板、多个阵列排布于所述电路板的超声波发射单元、功率放大器以及信号发生器；所述功率放大器和所述信号发生器电连接。所述功率放大器和所述电路板电连接。

20、进一步地，所述超声波发射单元包括直径尺寸；相邻的所述超声波发射单元之间的间距为安装间距；所述安装间距与所述直径尺寸之比大于0、且小于或者等于1.5。

21、进一步地，所述平面反射镜的焦距为所述悬浮空间的高度的二分之一。

22、进一步地，所述相位差的绝对值大于或者等于90°、且小于或者等于270°。

23、进一步地，所述相位差的绝对值为180°。

24、进一步地，所述涡旋聚焦槽的深度满足如下公式：

25、

26、其中，h为所述涡旋聚焦槽的深度，n为自然数、k为深度系数，λ为所述声波的波长；所述深度系数为正数且为非整数。

27、进一步地，所述深度系数满足如下公式：

28、

29、其中，a为自然数。

30、进一步地，所述涡旋聚焦槽在所述上表面上的投影包括第一线条和第二线条；所述第一线条和所述第二线条为阿基米德螺旋线。

31、进一步地，所述阿基米德螺旋线的半径公式为：

32、

33、其中，r为所述阿基米德螺旋线的半径，θ为角坐标，m为所述阿基米德螺旋线的总数量，m为所述阿基米德螺旋线的序号，λ为所述声波的波长，f为所述平面反射镜的焦距。

34、进一步地，所述涡旋聚焦槽的数量包括多个；多个所述涡旋聚焦槽围绕所述平面反射镜的中心轴线等角度间隔地分布于所述基板。

35、进一步地，多个所述涡旋聚焦槽的形状相同。

36、本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

37、由上述实施例可知，本申请的平面反射镜的设置方式能够将发射至上表面上的声波产生涡旋聚焦，使得悬浮于悬浮空间中的物体能够进行旋转，为声悬浮装置增加了旋转功能，进一步提升了声悬浮装置的功能性。此外，平面反射镜能够稳定地放置于平面，方便组装，并且对空间要求低，有利于优化声悬浮装置的体积。

38、应理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

技术特征：

1.一种平面反射镜，用于反射声波，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的平面反射镜，其特征在于，所述相位差的绝对值大于或者等于90°、且小于或者等于270°。

3.根据权利要求1所述的平面反射镜，其特征在于，所述相位差的绝对值为180°。

4.根据权利要求1所述的平面反射镜，其特征在于，所述涡旋聚焦槽(2)的深度满足如下公式：

5.根据权利要求4所述的平面反射镜，其特征在于，所述深度系数满足如下公式：

6.根据权利要求1所述的平面反射镜，其特征在于，所述涡旋聚焦槽(2)在所述上表面(11)上的投影包括第一线条(22)和第二线条(23)；所述第一线条(22)和所述第二线条(23)为阿基米德螺旋线。

7.根据权利要求6所述的平面反射镜，其特征在于，所述阿基米德螺旋线的半径公式为：

8.根据权利要求1所述的平面反射镜，其特征在于，所述涡旋聚焦槽(2)的数量包括多个；多个所述涡旋聚焦槽(2)围绕所述平面反射镜的中心轴线等角度间隔地分布于所述基板(1)。

9.根据权利要求8所述的平面反射镜，其特征在于，多个所述涡旋聚焦槽(2)的形状和尺寸相同。

10.根据权利要求1所述的平面反射镜，其特征在于，所述平面反射镜由金属和/或塑料形成。

11.一种声悬浮装置，其特征在于，包括：

12.根据权利要求11所述的声悬浮装置，其特征在于，所述发射换能器阵列(210)包括电路板(211)、多个阵列排布于所述电路板(211)的超声波发射单元(212)、功率放大器(213)以及信号发生器(214)；所述功率放大器(213)和所述信号发生器(214)电连接；所述功率放大器(213)和所述电路板(211)电连接。

13.根据权利要求12所述的声悬浮装置，其特征在于，所述超声波发射单元(212)包括直径尺寸(d)；相邻的所述超声波发射单元(212)之间的间距为安装间距(w)；所述安装间距(w)与所述直径尺寸(d)之比大于0、且小于或者等于1.5。

14.根据权利要求11所述的声悬浮装置，其特征在于，所述平面反射镜(100)的焦距为所述悬浮空间(220)的高度(h)的二分之一。

15.根据权利要求11所述的声悬浮装置，其特征在于，所述相位差的绝对值大于或者等于90°、且小于或者等于270°。

16.根据权利要求11所述的声悬浮装置，其特征在于，所述相位差的绝对值为180°。

17.根据权利要求11所述的声悬浮装置，其特征在于，所述涡旋聚焦槽(2)的深度满足如下公式：

18.根据权利要求17所述的声悬浮装置，其特征在于，所述深度系数满足如下公式：

19.根据权利要求11所述的声悬浮装置，其特征在于，所述涡旋聚焦槽(2)在所述上表面(11)上的投影包括第一线条(22)和第二线条(23)；所述第一线条(22)和所述第二线条(23)为阿基米德螺旋线。

20.根据权利要求19所述的声悬浮装置，其特征在于，所述阿基米德螺旋线的半径公式为：

21.根据权利要求11所述的声悬浮装置，其特征在于，所述涡旋聚焦槽(2)的数量包括多个；多个所述涡旋聚焦槽(2)围绕所述平面反射镜的中心轴线等角度间隔地分布于所述基板(1)。

22.根据权利要求21所述的声悬浮装置，其特征在于，多个所述涡旋聚焦槽(2)的形状相同。

23.根据权利要求11所述的声悬浮装置，其特征在于，所述平面反射镜(100)由金属和/或塑料形成。

技术总结
本申请涉及一种平面反射镜和声悬浮装置。平面反射镜用于反射声波，包括基板和涡旋聚焦槽。基板包括上表面。涡旋聚焦槽设置于基板。涡旋聚焦槽的开口方向朝向所述上表面。所述涡旋聚焦槽包括凹槽底面。所述凹槽底面与所述上表面平行。其中，所述上表面所反射的第一反射声波、与所述凹槽底面所反射的第二反射声波聚焦于所述平面反射镜的焦点；所述第一反射声波和所述第二反射声波存在相位差。本申请的平面反射镜的设置方式能够将发射至基板的声波产生涡旋聚焦，使得悬浮空间中的声悬浮物体能够进行旋转，为声悬浮装置增加了旋转功能，进一步提升了声悬浮装置的功能性，且制作和组装方便。

技术研发人员：阮永都,陈睿黾,王钰琪,唐昆,施钧辉,王少博,高大
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12