CN106448651B - 一种波导高阶模式转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及声高阶模场激发及调控技术领域。具体涉及一种基模激发高阶模场并可对模场频率进行调节的一种波导高阶模式转换器。包括圆柱状金属声波导，一种为基于布拉格共振的布拉格波导A，一种为基于非布拉格共振的非布拉格波导B，两波导通过法兰环相连接，禁带间的相互作用在禁带中出现一个透射峰，产生一个沿半径分布的高阶模场，完成声波由基模到高阶模的转换。本发明可方便的兼容大部分阻性的声波应用可工作在所有的可听声频段。材料容易获取，结构简单，易于制备。

Description

一种波导高阶模式转换器
技术领域
本发明涉及声高阶模场激发及调控技术领域。具体涉及一种基模激发高阶模场并可对模场频率进行调节的一种波导高阶模式转换器。
背景技术
非接触的粒子捕获在生物，物理化学，生物化学及光学等领域中有着重要的应用。光镊是其中发展较为成熟的一项技术，它可以用贝塞尔光束来捕获微粒、细胞并将其分开，实现粒子分拣归类的作用。但是光镊的应用也有一些限制，高能量的激光会对细胞造成一定伤害，由于光波长的缘故所能捕获的粒子大小小于10um，所以光镊经常用于透明物质或非透明物质的浅色区域。
声镊对于粒子操控来说是另外一种选择，超声波具有很强的能量且能提供很大的声场范围，因此声镊可以操控更大量级的粒子。在2011年，YoungkiChoe在Applied PhysicsLetters上发表文章(Microparticle trapping in an ultrasonic Bessel beam)在超声换能器上布置多交点的菲涅尔透镜得到声贝塞尔光束，产生一个负轴向辐射场用以捕获粒子，捕获的油滴直径在50-200um，微粒直径在70-90um。
2013年，Charles在Applied Physics Letters上发表文章(Dexterousmanipulation of microparticles using Bessel-function acoustic pressurefields)提出了一种用贝塞尔声场捕获和操控微粒，在16个超声换能器组成的阵列腔内产生贝塞尔声场并可通过改变正弦信号的相位来移动贝塞尔声场的位置。
在专利方面，有许多产生声场及控制的方法。2012年，松下电器在申请的专利(声场控制装置及声场控制方法)中描述了一种控制声场的装置，通过校正滤波器预先设置的控制特性进行信号处理并输出到第一扬声器，控制特性被预先设定为根据第一扬声器的再生声音，使来自第二扬声器的再生声音在第一控制位置降低的第一控制特性。2015年，诺威托系统公司在申请的专利(用于生成声场的方法和系统)中提出了一种在制定空间位置处生成局部可听声场的系统和方法。2014年，柳川博文在申请专利(声场调整滤波器及声场调整装置以及声场调整方法)提出了一种能够通过调整聆听者两耳间关系系数来提供适合聆听者喜好的良好的声场。
发明内容
本发明的目的在于提一种波导高阶模式转换器。
本发明的目的是这样实现的：
一种波导高阶模式转换器，包括圆柱状金属声波导，一种为基于布拉格共振的布拉格波导A，一种为基于非布拉格共振的非布拉格波导B，两波导通过法兰环相连接，禁带间的相互作用在禁带中出现一个透射峰，产生一个沿半径分布的高阶模场，完成声波由基模到高阶模的转换。
两波导周期个数均为5；两种波导的周期结构单元，每个周期起伏的变化是指管内壁由相邻凹凸环状的起伏结构构成，凸环称之为细管，凹环为粗管，每个周期的细管粗管长度相同为周期长度Λ的一半，周期起伏参数ε＝0.1R，细管内径为R-ε，粗管内径为R+ε，R为平均半径。
两种共振的中心频率相同，得到两种波导的周期长度的关系：
Λ2＝3/2Λ1
及平均半径的关系：
为组装示意图，布拉格波导A和非布拉格波导B通过法兰环C连接，基模从布拉格波导入射。
变截面波导管壁材料为刚性材料，材料厚度5毫米，波导内部为空气，没有任何填充材料。
本发明的有益效果在于：一种新型的模式转换原理，高阶模场频率可调，可方便的兼容大部分阻性的声波应用可工作在所有的可听声频段。材料容易获取，结构简单，易于制备。调整布拉格波导和非布拉格波导的中心频率，可调整声高阶模场的频率。高阶模场的能量大小可由入射基模控制，入射波的强度决定高阶模场的强度。
附图说明
图1为波导组装图。
图2为布拉格波导周期单元示意图。
图3为非布拉格波导周期单元示意图。
图4为布拉格波导及非布拉格波导色散曲线。
图5不同中心频率下的高阶模场频率及拟合曲线。
图6为高阶模场沿径向声压分布。
具体实施方式
下面根据附图对本发明具体实施案例进行详细的描述。
图1为波导组装图(solidworks绘制)。基模从布拉格波导入射，在第一个非布拉格波导周期内产生一个沿径向分布的高阶模场。布拉格波导(A)及非布拉格波导(B)皆有五个周期，两者通过法兰环(C)连接。箭头表示声波入射方向。
A为布拉格波导
B为非布拉格波导
C为法兰环
图2为布拉格波导周期单元示意图；
Λ1为布拉格波导的周期长度
R1为布拉格波导的平均内径
ε为周期起伏参数，取ε＝0.1R
图3为非布拉格波导周期单元示意图；
Λ2为非布拉格波导的周期长度
R2为非布拉格波导平均内径
ε为周期起伏参数，取ε＝0.1R
图4为布拉格波导及非布拉格波导色散曲线。如图所示，两波导的中心频率皆为2500Hz，阴影处为禁带所在范围。布拉格共振为相同横向模式之间的相互作用，非布拉格共振为不同横向模式之间的相互作用。
图5不同中心频率下的高阶模场频率及拟合曲线。如图所示，横轴为布拉格波导和非布拉格波导的中心频率，纵轴为高阶模场频率，黑色三角代表在不同波导中心频率下的高阶模场频率，红色线为拟合曲线，拟合结果为F＝1.028*L-7.048，f为布拉格波导及非布拉格波导中心频率，F为高阶模场频率，高阶模场随着中心频率的增大而增大。
图6为高阶模场沿径向声压分布。如图所示，蓝色线为高阶模场沿径向的声压分布，红色线为贝塞尔函数拟合结果。a0＝0.103634，a1＝0.8821，a2＝0.01195，a3＝0.002316(a0，a1，a2，a3分别对应基模，一阶模，二阶模，三阶模)。拟合结果说明高阶模场含有少量的基模，大量的一阶模及更为少量的二阶模和三阶模。通过两种波导禁带间的相互作用，实现了由基模到高阶模的转换。
入射声源为基模。声镊捕获微观粒子相对于光镊来说有一些优势，它的相关技术正逐步完善。声模场波长和微观粒子尺寸之间的比值会影响微粒的聚集程度，而且在声镊的微粒操控中驻波的效果优于行波，它能产生更强的辐射场，有更多的应用，如微观粒子滤波，粒子分拣等。本发明产生的高阶模场，包含少量基模，大量的一阶模和，更为少量的二阶模和三阶模，且模场的频率和振幅可调谐。
见说明书附图1为波导组装图。整体结构由一布拉格波导(A)和一非布拉格波导(B)通过法兰环(C)连接，两波导是圆柱状金属波导，周期个数各为五个。见说明书附图2和3为两种波导的周期结构单元，每个周期起伏的变化是指管内壁由相邻凹凸环状的起伏结构构成，凸环称之为细管，凹环为粗管，每个周期的细管粗管长度相同为周期长度Λ的一半，周期起伏参数ε＝0.1R，细管内径为R-ε，粗管内径为R+ε，R为平均半径。整个波导可使用数控车床加工，一体成型。布拉格和非布拉格共振的中心频率相同，根据色散曲线可以得到两种波导的周期长度的关系：Λ2＝3/2Λ1及平均半径的关系：
见说明书附图2，阴影处发生一阶布拉格共振，在阴影处发生一阶非布拉格共振。首先设定模式转换器的工作频率，根据工作频率可以求得周期长度Λ；根据一阶模的零点可以求得平均半径R，这样可以得到布拉格波导和非布拉格波导的参数，见说明书附图1，布拉格波导一侧粗管与非布拉格波导一侧细管通过法兰环相连接。
此种波导内产生高阶声场的方法基于布拉格共振和非布拉格共振，它们具有不同的共振机理。当工作频率小于一阶模的截止频率时，高阶模没有激发，在波导内只存在基模，设定这时基模的纵向波数为k,由于周期起伏结构的反射在入射基模相反方向上产生一个纵向波数为-k的基模。当这两个波数的绝对值的和等于波导的波数的时候就会发生布拉格共振，是基模之间的相互作用。当，工作频率大于一阶模的截止频率时，这时候产生了一个一阶模，非布拉格共振就产生了。当频率继续升高，此时波导的作用就不是很明显，但模式之间的正交性已被破坏，多种的模式依然会出现。与布拉格共振一样，非布拉格共振同样会导致谱带分裂，形成频域禁带，它们所形成的禁带特性也不尽相同。
见说明书附图4为布拉格波导及非布拉格波导色散曲线。如图给出了周期波导中第一布里渊区内模式的色散曲线(点线)，实线为参考线l(p,n)，代表第n阶空间谐波的第p个模式。左半部分阴影区域表示布拉格禁带，为相同横向模式间的共振相互作用，使得频谱分裂，在2500Hz附近产生布拉格禁带；右半部分阴影区域表示非布拉格禁带，为不同横向模式间的共振相互作用，也使得频谱分裂，在2500Hz附近产生非布拉格禁带。很显然，布拉格共振和非布拉格共振都发生在参考线l(p,n)的交点处。当入射波频率靠近共振处时，由于在参考线交点处频带分裂产生禁带，相关频率范围内电磁波不能在波导中传播。总的来说，多模波导中不同横向模式色散曲线的重叠，会引发复杂的共振相互作用。根据色散曲线，我们可以通过控制具有周期结构波导的可调参数来改变这种通带-禁带的范围和位置，从而实现对其中传播模式的控制。
当布拉格波导和非布拉格波导相连接时，在禁带中产生一个透射峰，观察此峰值频率下的声压分布，可以发现在靠近两个波导的连接处的第一个非布拉格波导周期内产生一个沿半径分布的高阶模场。基模通过布拉格波导，由于波导的损耗会消耗一部分能量，当能量到达连接处，能量在第一个非布拉格波导周期内积累，形成局域模式，在能量积累的地方产生一个稳定高阶模场。非布拉格波导对高阶模有着衰减作用，出口处高阶模衰减到最小。这样就可以得到一个纯净的高阶模场。
如上所述基于布拉格共振和非布拉格共振的周期变截面起伏波导结构参数共振机理给出，色散曲线如下式：
其中，c为声速，f为透射谱的中心频率，p为第p阶横向模式，为第p阶Bessel函数的零点，R是周期变截面波导的平均内径，Λ是波导的周期长度，β是传播常数，n是Bragg共振的阶数，n的取值为0,1,2,3….：见说明书附图2，布拉格禁带的频带宽度宽于非布拉格禁带。
如图2设定中心频率f＝2500Hz，此时布拉格周期变截面中空圆柱形波导的平均半径R1＝41.85mm，波导周期长度Λ1＝68.6mm，波导周期起伏参数ε＝0.1R，即细管半径为37.665mm，粗管半径为46mm。此时非布拉格周期变截面中空圆柱形波导的平均半径R2＝88.76mm，波导周期长度Λ2＝102.9mm，波导周期起伏参数ε＝0.1R，即细管半径为79.884mm，粗管半径为97.636mm。如附图1，布拉格波导(A)及非布拉格波导(B)皆有五个周期，将两波导通过法兰环(C)连接，在第一个非布拉格波导周期内得到F＝2563Hz的高阶模场。
为了研究高级模场频率和中心频率的关系，取不同的中心频率，对应的高阶模频率如表1.
表1不同波导中心频率下高阶模场频率
中心频率频率f(Hz) 高阶模频率F(Hz)
2500 2563
2600 2665
2700 2767
2800 2870
2900 2973
3000 3077
见附图3为不同中心频率下的高阶模场频率及拟合曲线，根据拟合曲线可以得到中心频率与高阶模场频率的关系。见附图4为高阶模场沿径向声压分布。拟合结果说明高阶模场由少量基模，大量的一阶模及更为少量的二阶模和三阶模。通过两种波导禁带间的相互作用，实现了由基模到高阶模的转换。

Claims (4)

1.一种波导高阶模式转换器，其特征是：包括圆柱状金属声波导，一种为基于布拉格共振的布拉格波导(A)，一种为基于非布拉格共振的非布拉格波导(B)，两波导通过法兰环相连接，禁带间的相互作用在禁带中出现一个透射峰，产生一个沿半径分布的高阶模场，完成声波由基模到高阶模的转换。
2.根据权利要求1所述的一种波导高阶模式转换器，其特征是：两波导周期个数均为5；两种波导的周期结构单元，每个周期起伏的变化是指管内壁由相邻凹凸环状的起伏结构构成，凸环称之为细管，凹环为粗管，每个周期的细管粗管长度相同为周期长度Λ的一半，周期起伏参数ε＝0.1R，细管内径为R-ε，粗管内径为R+ε，R为平均半径。
3.根据权利要求1所述的一种波导高阶模式转换器，其特征是：两种共振的中心频率相同，得到两种波导的周期长度的关系：
Λ2＝3/2Λ1
及平均半径的关系：
布拉格波导(A)和非布拉格波导(B)通过法兰环(C)连接，基模从布拉格波导入射，Λ1为布拉格波导的周期长度，Λ2为非布拉格波导的周期长度，R1为布拉格波导的平均内径，R2为非布拉格波导平均内径。
4.根据权利要求3所述的一种波导高阶模式转换器，其特征是：所述圆柱状金属声波导的管壁材料为刚性材料，材料厚度5毫米，波导内部为空气，没有任何填充材料。
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