CN105750181A - 一种利用声学超材料产生声涡旋场的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种利用声学超材料产生声涡旋场的装置，包括同轴的至少两层圆柱面，相邻圆柱面之间形成管道，每层圆柱面朝向轴线的一面上沿轴向分布有若干个圆环状的型腔，型腔面向轴线的一侧设有圆环状的开口，在轴线上均匀分布有若干个连接板，连接板的一端位于最外层的圆柱面上，连接板将圆环状的型腔分割为若干个扇形腔体。本发明利用声学超材料产生声涡旋场的装置，当一个不具有轨道角动量分布的原始声场入射时，操控在结构中等效的波数，能够使出射的声场具有所需要的角动量分布，产生声学涡旋场，使得出射声场被附加上轨道角动量，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。
Description
技术领域
本发明涉及利用声学超材料产生声涡旋场的装置，属于声学领域。
背景技术
无论是在基础物理领域还是实际的应用领域，对携带轨道角动量(OAM)、具有螺旋相位分布的声学涡旋场的研究，都具有重要的意义。因此，如何简单有效地产生携带特定轨道角动量的声学涡旋场，成为国内外研究的一个热点。产生声学涡旋场的传统办法主要包括两种：一种是利用众多的声学换能器排布成声学阵列，并通过电学端的控制，对其中每一个换能器都独立地设定特定的相位延时，从整体上看，整个声学阵列被附加上一个螺旋的相位分布，从而使在所有换能器作用下叠加之后整体的声场具有一定的角动量分布，产生声学涡旋场；第二种是利用具有呈螺旋分布几何厚度的特殊结构，当一个不具有轨道角动量分布的声场(例如声学平面波)入射到这种结构时，在螺旋状几何厚度作用下，声波在结构的不同位置处，其等效的传播路径的长度不同，这使得出射声场将具有一定的轨道角动量，产生声学涡旋场。
然而，这两种传统的方案，在产生过程中都要求所使用的器件具有一定的螺旋分布，不论是在声源端对每个换能器施加螺旋的相位分布(第一种方法)，还是使用呈螺旋几何形状的特定结构(第二种方法)。此外，第一种方法中，要求通过繁冗复杂的电路调控手段，对每一个换能器施加特定的相位延时，而整个声学阵列的组成通常需要几百甚至上千个声学换能器，这带来的高成本和复杂的操作过程限制了其在现实中的应用。再者，每个声学换能器都具有一定的体积，这将严重限制这种方法在产生高频率的声学涡旋场中的应用，因为频率越高，声波的波长越短，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。而在第二种方法中，所使用的螺旋形状的结构具有非常大的体积，其尺寸一般在几十个声波波长的数量级，庞大的体积同样限制了这种方法在实际中的应用，特别是在产生低频率的声学涡旋场的应用中。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。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种利用声学超材料产生声涡旋场的装置，通过操控在结构中等效的波数使得出射声场被附加上轨道角动量，不需要任何的电路调控手段。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种利用声学超材料产生声涡旋场的装置，包括同轴的至少两层圆柱面，相邻圆柱面之间形成管道，每层圆柱面朝向轴线的一面上沿轴向分布有若干个圆环状的型腔，型腔面向轴线的一侧设有圆环状的开口，在轴线上均匀分布有若干个连接板，连接板的一端位于最外层的圆柱面上，连接板将圆环状的型腔分割为若干个扇形腔体；整个装置的材料均为声学超材料。
作为优选，所述连接板有八个，八个连接板沿轴线均匀分布，将每个圆柱面均匀分割为八等分。
作为优选，相邻圆柱面的距离为0-0.3λ，λ为入射声波的波长。
作为优选，所述扇形腔体的的宽度和高度均小于0.2λ，λ为入射声波的波长。
作为优选，每层圆柱面的壁厚大于0.005λ，λ为入射声波的波长。
作为优选，所述圆柱面和型腔的材料的声阻抗大于空气声阻抗的300倍。
作为优选，该装置的两个端面为平面。
有益效果：本发明的利用声学超材料产生声涡旋场的装置，当一个不具有轨道角动量分布的原始声场入射时，操控在结构中等效的波数，能够使出射的声场具有所需要的角动量分布，产生声学涡旋场，使得出射声场被附加上轨道角动量，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；同时，这种圆柱形的结构的半径仅为0.315个波长，在传播方向的厚度仅为0.5个波长，对于无论是产生高频率还是低频率的声学涡旋场都具有很好的效果；此外，所设计的圆柱形结构在入射端面和出射端面都呈平面形状，这在应用中具有很好的优势，特别是在集成声学器件的设计和应用中。
附图说明
图1为本发明的原理示意图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为图2的全剖结构示意图。
图4为单个圆柱面的剖视结构示意图。
图5为三个圆柱面的等效的波数k/k0、透射率大小|pt/pi|随结构的几何参数h1/h的变化关系。
图6为本发明出射声场的三维仿真分布图。
图7为距离出射端0.5λ的平面内，声场的相位分布仿真图。
图8为距离出射端0.5λ的平面内，声场的强度分布仿真图。
图9为距离出射端0.27λ的平面内，声场的相位分布实验图。
图10为距离出射端0.5λ的平面内，声场的相位分布实验图。
图11为理论、仿真和实验中声压绝对值沿y轴的对比图。
具体实施方式
如图1所示，当不具有轨道角动量的原始声场入射到所设计的结构时，出射声场将被附加上特定的轨道角动量分布，即产生声学涡旋场，图中箭头指示声波的传播方向。
如图2至图4所示，包括同轴的三层圆柱面1，相邻圆柱面1之间形成管道3，每层圆柱面1朝向轴线的一面上沿轴向分布有若干个圆环状的型腔2，型腔2面向轴线的一侧设有圆环状的开口，在轴线上均匀分布有若干个连接板4，连接板4的一端位于最外层的圆柱面1上，连接板4将圆环状的型腔2分割为若干个扇形腔体；整个装置的材料均为声学超材料。其整体轮廓呈圆柱形，由八个角度都为45度的扇形区域组成。圆柱形结构的直径为0.63λ，在传播方向的厚度m＝0.5λ，λ是入射声波的波长，例如，在后续的结果展示中，我们设定背景介质为空气，其密度和声速分别为1.21kg/m3和343m/s，入射声波的频率为2287Hz，其波长λ＝0.15m。图3本发明的全剖结构示意图，每一个扇形区域的内部都分为三层，每一层由四个扇形腔体和连通的管道3组成。其中每一层在半径方向上的总高度h＝0.1λ，横向的长直管道3的高度为h1，扇形腔体的几何尺寸包含腔体的宽度m3,高度h3，腔体的壁厚为h2，其他相关的几何参数为(m1，m4，m2，m3)＝(0.1,0.2,0.05,0.22)m，通过调节结构的几何参数h1，可以得到在结构中不同的等效声波波数，即不同的几何参数对应于不同的等效波数，其具体关系如4所示，在所设计结构的每一层中，等效的波数k/k0、透射率大小|pt/pi|随结构的几何参数h1/h的变化关系，其中k0是在背景介质中入射声波的波数，在以空气为背景介质，频率为2287Hz的入射声波，k0＝41.9/m。我们以产生一阶贝塞尔型声涡旋场为例来展示所提出的设计方案的效果。一阶贝塞尔型声学涡旋场的相位分布可以用表达式φ(θ)＝exp(iθ)表示，其中φ表示相位分布，θ表示方位角。根据关系φ＝kl，l为固定值0.5λ，得到在八个不同角度上的扇形区域中所需的等效波数k/k0分别为0，1/4，1/2，3/4，1，5/4，3/2，7/4。图5中黑色的圆点表示产生一阶贝塞尔型声涡旋场所具体选择的几何参数点。若要产生其他阶数的声学涡旋场，只需要根据图5中的曲线关系，选择相对应的几何参数即可。
对本发明进行仿真，背景介质设定为空气，入射声波的频率为2287Hz，结构的材料为ABS塑料。其他声学阻抗足够大的材料同样能够用来制作所设计的结构，只需要材料的声学阻抗大于空气声阻抗的300倍即可，例如各类金属、合金等材料，都能够最为优选材料。图6为在上述所设计的结构的作用下，出射声场的三维仿真分布图，其呈现出声学涡旋场的典型特征：螺旋状分布的声压。图7、图8分别是在距离出射端0.5λ的平面内，声场的相位分布图和强度分布图。其相位分布在一个圆周内出现一次2π的突变，强度在声场中心出现最小值，这些特征与一阶贝塞尔型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。
我们开展了具体的实验来验证所设计的结构的效果，实验中结构的材料同样采用ABS塑料。图9和图10分别是在距离出射端0.27λ和0.5λ的平面内，实验测量得到的声场相位分布图。图11是理论、仿真和实验中声压绝对值沿y轴方向的对比图。
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。
Claims (7)
1.一种利用声学超材料产生声涡旋场的装置，其特征在于：包括同轴的至少两层圆柱面，相邻圆柱面之间形成管道，每层圆柱面朝向轴线的一面上沿轴向分布有若干个圆环状的型腔，型腔面向轴线的一侧设有圆环状的开口，在轴线上均匀分布有若干个连接板，连接板的一端位于最外层的圆柱面上，连接板将圆环状的型腔分割为若干个扇形腔体；整个装置的材料均为声学超材料。
2.根据权利要求1所述的利用声学超材料产生声涡旋场的装置，其特征在于：所述连接板有八个，八个连接板沿轴线均匀分布，将每个圆柱面均匀分割为八等分。
3.根据权利要求2所述的利用声学超材料产生声涡旋场的装置，其特征在于：相邻圆柱面的距离为0-0.3λ，λ为入射声波的波长。
4.根据权利要求1所述的利用声学超材料产生声涡旋场的装置，其特征在于：所述扇形腔体的宽度和高度均小于0.2λ，λ为入射声波的波长。
5.根据权利要求1所述的利用声学超材料产生声涡旋场的装置，其特征在于：每层圆柱面的壁厚大于0.005λ，λ为入射声波的波长。
6.根据权利要求1所述的利用声学超材料产生声涡旋场的装置，其特征在于：所述圆柱面和型腔的材料的声阻抗大于空气声阻抗的300倍。
7.根据权利要求1所述的利用声学超材料产生声涡旋场的装置，其特征在于：该装置的两个端面为平面。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |