一种用于产生声涡旋波束的压电换能器及其系统的制作方法

本发明涉及声学技术领域，具体涉及一种用于产生声涡旋波束的压电换能器及其系统。

背景技术：

自然界里携带着角动量的涡旋现象十分常见，比如水涡、气旋等。事实证明，无论是电子波、光波或者声波，都可以在特定条件下形成携带角动量的涡旋场。与能够同时携带轨道角动量(orbitalangularmomentum，oam)和自旋角动量(spinangularmomentum，sam)的光波不同，声波由于不存在偏振或自旋效应，因此涡旋声场仅能够携带轨道角动量，其大小可以用拓扑荷数(topologicalcharge)来表征。

声涡旋波束作为一种携带轨道角动量的特殊声波，其特征是波前螺旋相位错位。在单频的螺旋连续行波的波前错位中，相位与旋转方向角θ相关，即相位因子含有和方位角成正比的项exp(ilθ)，而整数l为拓扑荷数(也被称为螺旋波束的次序)，其符号和数值分别决定了螺旋的方向和轨道角动量的大小。

目前，声涡旋波束是由基于多个压电换能器组成的阵列产生，也就是用适当相位的电流激发换能器来形成具有螺旋辐射面的声源。如图1、2所示，在塑料板上集中安装了64个换能器，电路部分中的数码处理器可以控制每个换能器的激励电流，进而通过所有换能器产生的声波合成声涡旋波束。但是，这种产生声涡旋波束的系统整体电路复杂，成本较高，并且尺寸较大，在小型化和集成化方面具有局限性，严重地制约了研究的发展。

技术实现要素：

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种用于产生声涡旋波束的压电换能器及其系统，以简化电路、降低成本、减小尺寸，提高集成度，并能够合成出稳定的聚焦声学旋涡。

本发明第一方面提供了一种用于产生声涡旋波束的压电换能器，压电换能片的一侧表面设置有全涂覆电极，另一侧表面设置有至少一个螺旋状电极条，所述至少一个螺旋状电极条具有相同的原点。

优选的，所述螺旋状电极条为等角螺线状电极条。

优选的，每个等角螺旋状电极条的宽度按照下式变化：

d＝(a2-a1)e^bθ；

其中，d为等角螺旋状电极条的宽度，a1为等角螺旋状电极条的初始内径，a2为等角螺旋状电极条的初始外径，b为方位角系数，θ为方位角，其中方位角θ的终止角度为0～12π。

优选的，所述等角螺旋状电极条为多个，每个等角螺旋状电极条具有相同的所述初始内径和所述初始外径。

进一步的，该压电换能器产生的声涡旋波束的波长λ的范围为：

λ＝0.5dmin～0.5dmax；

其中，所述dmin为等角螺旋状电极条的最小宽度，dmax为等角螺旋状电极条的最大宽度。

优选的，所述全涂覆电极和螺旋状电极条的材质为银。

本发明第二方面提供了一种用于产生声涡旋波束的压电换能器系统，包括：第一方面提供的用于产生声涡旋波束的压电换能器；正弦信号源，其用于向每个螺旋状电极条施加同频率同相位的正弦信号。

可选的，所述正弦信号源为同频率同相位的多个正弦信号源，每个螺旋状电极条连接至所述多个正弦信号源中的一个。

可选的，所述正弦信号源的数量为1个，每个螺旋状电极条连接至该正弦信号源。

优选的，所述压电换能器的全涂覆电极接地。

本申请提供的压电换能器及其系统，能够简化电路、降低成本、减小尺寸，提高集成度，并能够合成出稳定的聚焦声学旋涡。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术产生声涡旋波束的电路部分示意图；

图2为现有技术压电换能器的阵列示意图；

图3为螺旋电极涂覆的压电换能器产生辐射声涡流场的工作原理图；

图4为单螺旋电极、双螺旋电极、三螺旋电极和四螺旋电极涂覆压电换能器的仿真效果图；

图5为螺旋电极涂覆的压电换能器的模拟声压场的归一化振幅和相位分布示意图；

图6为单螺旋电极、双螺旋电极、三螺旋电极涂覆压电换能器的实物图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

基本原理：

申请人在对不同类型的压电换能器进行研究时发现，当施加激励电压进行驱动时，螺旋电极涂覆区域通过压电效应产生纵向振动，从而向空间中辐射声波，并在声轴附近合成出聚焦的声学旋涡束。对单臂电极涂覆换能器，参见图3，在理论模型中螺旋条形电极可视为等势线，故设在螺旋形电极面上各点收到电激励产生振动的幅度及相位都相同。同时假设该压电圆片嵌于无限大障板上，取压电圆片声辐射圆面的中心为坐标原点o，该平面以r，θ角坐标表示。假设在距离z处的平面上的某一处设置一观察点p，且将观察点所处平面以ρ，φ角坐标进行表示。观察点的位置矢量与z轴正向的夹角设为α。采用rayleigh–sommerfeld衍射积分计算观察点处的声压。在视点p的归一化压力为：

其中，h为观察点p与螺旋电极上面元ds的距离：

其中，r为观察点与原点的直线距离：

k＝2π/λ为波数，λ＝c/f为声传输介质中声波的波长，ρ0为介质密度，c为介质中的声速，ω为换能器表面质点的振动角频率。

在空间中激发的合成声场能够由式(1)计算得到，该式能够扩展到多个悬臂电极涂覆的圆形压电平板的情况，如下式：

该结构能够在声轴附近通过声场合成原理调节空间中声波的振幅和相位，使声波在空间上呈螺旋状旋转，产生稳定的聚焦旋涡声束。

申请人的上述研究能够突破传统的通过声学阵列有源地产生涡旋声束的尺度限制，给有源方式的微型化带来了可能。

实施例1

根据上述研究成果，本实施例提供了一种压电换能器，图6为本实施例产生声涡旋波束的压电换能器的实物图。从图6可以看出，压电换能器的一侧表面设置有至少一个螺旋状电极条，图6示出了单螺旋电极、双螺旋电极、三螺旋电极的情形。压电换能器的另一侧表面设置有全涂覆电极。本实施例所述的“设置”应当理解为包括涂覆、蚀刻、电镀等能获得金属电极层的所有方式。本实施例所述的“全涂覆电极”是本领域对非异形电极的传统称呼，也就是说压电换能片的另一侧表面全部设置为电极层，并不限于涂覆的方式。

任意类型的螺旋状电极条理论上均可以产生声涡旋波束，本实施例优选为等角螺线，可以获得更佳的声涡旋波束。

当螺旋状电极条为多条时，例如，单螺旋电极、双螺旋电极、三螺旋电极或四螺旋电极，多个螺旋状电极具有相同的原点，当压电换能器为圆形时，优选的圆心为原点。

优选的，每个螺旋状电极条在压电换能器上具有相同的初始内径和初始外径，即每个螺旋状电极条的初始宽度都相同，外径和内径之差为螺旋状电极的宽度。

所述等角螺线的函数极坐标形式为：

r＝ae^bθ(5)

其中，r表示径向坐标，θ表示方位角度坐标，a表示初始半径，b表示方位角系数。

进一步的，压电换能器上的等角螺旋状电极条的宽度随着等角螺线方位角θ的改变而改变，这样可以使得产生的声涡旋波束能量更加集中。

具体的，根据下式获得每个等角螺旋状电极条宽度的变化：

d＝(a2-a1)e^bθ(6)

其中，d为等角螺旋状电极条的宽度，a1为等角螺旋状电极条的初始内径，a2为等角螺旋状电极条的初始外径，b为方位角系数，θ为方位角，其中方位角θ的终止角度为0～12π。

根据上述螺旋状电极条的宽度范围，可以根据下式计算出该压电换能器产生的声涡旋波束的波长λ的范围：

λ＝0.5dmin～0.5dmax(7)

其中，所述dmin为螺旋状电极条的最小宽度，dmax为螺旋状电极条的最大宽度。

例1：

当所述螺旋状电极条为多条时，以4条旋臂为例，初始内径a1＝13.8mm，初始外径a2＝14.85mm，对应拓扑荷数l分别为1、2、3和4的螺旋电极的方位角系数分别为b1＝0.0225、b2＝0.0451、b3＝0.0676、b4＝0.0902，方位角的终止角度分别为θ1＝12π、θ2＝6π、θ3＝4π、θ4＝3π。此时，螺旋状电极条的最小宽度为dmin＝1mm，螺旋状电极条的最大宽度为dmax＝2.47mm，施加同频同相的正弦激励信号后，可以产生305khz～750khz的涡旋声波。

例2：

当所述螺旋状电极条为单条时，初始内径为13.8mm，初始外径为14.85mm，方位角系数b＝0.0225，方位角θ从0旋转到12π，施加正弦激励信号后可以产生425khz的涡旋声波。

上述两个实例，涂覆的电极材料优选为银，压电材料可以是压电陶瓷pzt或压电晶体，其厚度仅为5mm，尺寸远小于图1、2所示的换能器阵列系统，易于小型化和集成化，且成本低。

实施例2

本实施例提供了一种压电换能器系统，其包括实施例1中的压电换能器，以及正弦信号源，该正弦信号源作为压电换能片的激励源，其用于向每个螺旋状电极条施加同频率同相位的正弦信号。理论上，该正弦信号源可以是正弦电压源，其可以为一个，也可以为多个。

当正弦电压源是同频率同相位的多个正弦电压源时，多个正弦电压源的数量与螺旋电极的数量相同，每个螺旋状电极条分别连接至所述多个正弦电压源中的一个，同时压电换能器的全涂覆电极也连接至所述正弦电压源的另一端上。优选的，全涂覆电极接地。

当所述正弦信号源的数量为1个时，每个螺旋状电极条均连接至该正弦信号源的一端，全涂覆电极也连接至所述正弦电压源的另一端上。优选的，全涂覆电极接地。

通过本实施例的上述信号激励电路能够使实施例1中的螺旋电极涂覆的压电换能器激励产生稳定的聚焦声学旋涡，并在传播方向上维持较长的距离。

实施例3

为了验证上述结构的螺旋电极压电片产生旋涡声束的效果，可以采用有限元模拟的方式，仿真并观测其在观察面上的声压场幅值和相位分布情况。利用comsol多物理场有限元仿真软件，模拟旋臂电极数目为1到4的压电陶瓷圆板在以水作为背景介质中的声场辐射情况。

具体仿真过程如下：

水中的声速为1500m/s，密度为1000kg/m3。在固体力学物理场中设置压电材料为pzt-4，圆板的半径为38mm，厚度设为5mm；在静电模块中，令压电圆板的远水面的全涂覆电极接地，将近水端螺旋电极的电势设置为100v；在水中采用内频域声压场，并将水域外边界的边界条件设置为球面波辐射。仿真并观察在压电圆板的厚度振动模式对用的425khz频率下激发的声压场。

4种螺旋电极结构的压电陶瓷圆板的仿真模型分别如图4所示。

将观测面设置在水中距离压电圆片2.5个波长处，仿真结果如图5所示，第一行是对各自声压场的最大值进行归一化后的声压强度分布，第二行是观察面上的相位分布。以上各结构在观测面上分别产生了聚焦于声轴附近的拓扑荷数为l＝1,2,3,4的声学旋涡。在单臂电极到四臂电极结构产生的衍射相场的环形环中，相位改变了2π、4π、6π和8π，这证明了相应声学旋涡场的拓扑结构。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。