CN108062947B - 一种基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法，包括：确定相位调控薄膜，所述相位调控薄膜能够将其透射的声波的相位改变180度；对相位调控薄膜进行裁剪，将所述相位调控薄膜裁剪成费马螺线图案，使得经过所述裁剪的相位调控薄膜透射后的声波产生稳定传播的声涡旋。本发明能够产生稳定的声涡旋，声涡旋能够在透射场的一定距离内稳定传播，并且涡旋中心强度为0，本发明可以通过薄膜以及控制裁剪图案即可得到声涡旋，得到的声涡旋可用于噪声隔离，声通讯，粒子操控等方面，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法
技术领域
本发明属于声波技术领域，更具体地，涉及一种基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法。
背景技术
声涡旋对于粒子旋转操控、声通讯、等有着重要的意义并且在生产和生活中都有着重大的实用价值。声涡旋类似于光涡旋和自然界的涡旋现象如龙卷风等，是比较前沿的研究。
现有的文献中，产生涡旋方法有主动式的相控阵列法和被动式的波导空腔的堆叠等。其实现方法都是使平面上不同位置的相位元具有不同的相位，使平面内绕圆心一周的初相位发生360度的均匀变化来生成声涡旋。主动式的相控阵列是利用电流控制延迟相位；而被动式波导空腔是利用在有限距离金属波导内的设计扭曲的声通道来实现大的相位改变。例如，现有文献分别利用波导空腔的堆叠和主动式相位延迟的方法来对声波进行调控，以实现声涡旋。
以上两种方式的器件厚度都在厘米级以上并且整个装置十分庞大和厚重，成本也较高，限制了其应用范围。并且这两种堆叠相位单元的方法由于其单元体积不能忽略，其具体效果的精度有限，尤其是对波长小于单元尺寸的声波很难进行调控。并且主动式的方法由于要配置电源和控制系统，使整个系统更为庞大，难以整合进手持器件等。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法，由此解决现有产生声涡旋的装置十分庞大和厚重，成本也较高，限制了其应用范围，并且精度有限等技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法，包括：
确定相位调控薄膜，所述相位调控薄膜能够将其透射的声波的相位改变180度；对所述相位调控薄膜进行裁剪，将所述相位调控薄膜裁剪成费马螺线图案，使得经过所述裁剪的相位调控薄膜透射后的声波产生稳定传播的声涡旋。
可选地，所述费马螺线图案包括两条螺线，两条螺线的表达式分别满足：
Figure BDA0001484561880000021
Figure BDA0001484561880000022
其中，m为线性系数，r1和r2分别为两条螺线的极径，θ1和θ2分别为两条螺线的极角。
可选地，通过选取合适的m以使得不同波长的声波经过裁剪的相位调控薄膜透射后都能产生稳定的声涡旋。
可选地，当m＝9.1时，11毫米-17毫米的声波经过裁剪的相位调控薄膜透射后都能产生稳定的声涡旋。
可选地，确定相位调控薄膜，包括：
将任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒和任意模量小于颗粒的高分子材料或者软材料溶液均匀混合得到混合溶液；将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，得到带颗粒的静电纺丝纤维，进而由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜，所述静电纺丝薄膜即为所述相位调控薄膜。
本发明通过不同颗粒与不同高分子材料或者软材料溶液混合后得到的混合溶液，可以制备不同直径和分布的静电纺丝薄膜，由于薄膜中颗粒的振动，从而对不同频率范围声波有180度相位改变，其中，颗粒越多，响应频率越低频；薄膜越厚(小于1毫米的情况下)，响应频率也越低。
可选地，所述任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒为铜、铁、金、银、铂、钴、镍、铅及其对应的氧化物。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明能够产生稳定的声涡旋，声涡旋能够在透射场的一定距离内稳定传播，并且涡旋中心强度为0。本发明可以实现多功能且自定义地对声波进行调控，基于这个发明的薄膜材料得到的声涡旋可以用于噪声隔离，声通讯，粒子操控等方面，因此本发明提供的薄膜及通过控制裁剪图案得到声涡旋的方法具有广阔的应用前景。
2、尺寸缩小。比起之前任意同类功能的设计，本发明利用了初相位相差180度的两部分区域共同作用，能使器件面积在x,y两个方向都减少一半，所以能使薄膜总面积减少3/4(z方向为入射波方向，xy与z方向垂直)。
3、能量利用率更高。本发明是基于全透射结构，利用了整个平面的能量，有着更高的能量利用率。并且本发明是无源器件，在能耗，体积，便携性上都有很大优势。
附图说明
图1为本发明提供的基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法流程示意图；
图2为本发明所采用的费马螺线图案示意图；
图3为本发明形成的声波涡旋的示意图；
图4为本发明提供的透射积分场计算示意图；
图5为本发明提供的具体生成的涡旋场的仿真和实验测试相位图；
图6为本发明具体生成的涡旋场的仿真和实验测试强度图；
图7为本发明具体生成的涡旋场随距离变化的仿真相位图；
图8为本发明具体生成的涡旋场随距离变化的仿真强度图；
图9是本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:8时，按照本发明方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；
图10是本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:4时，按照本发明方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；
图11是本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:2时，按照本发明方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；
图12是本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:1时，按照本发明方法得到的纤维薄膜的扫描电镜图；
图13为本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:8时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图；
图14为本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:4时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图；
图15为本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:2时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图；
图16为本发明提供的铜颗粒和聚乙烯醇的质量为1:1时得到的纤维薄膜进行声波透射测试的结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明基于能够将透射相位改变180度的薄膜和特定图案化设计规律以产生声涡旋。利用激光切割或者其他切割手段将薄膜切成设计好的图案，可以对不同频率的声波产生涡旋。
在这种柔性薄膜上的剪切十分方便，并且整体器件也很轻便，成本较低，利于大规模生产制作。这种方式也是无源的，在能耗和便携性上具有优势。
图1为本发明提供的基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法流程示意图，如图1所示，包括步骤S101至步骤S102。
S101，确定相位调控薄膜，该相位调控薄膜能够将其透射的声波的相位改变180度。
S102，对所述相位调控薄膜进行裁剪，将所述相位调控薄膜裁剪成费马螺线图案，使得经过所述裁剪的相位调控薄膜透射后的声波产生稳定传播的声涡旋。
可选地，如图2所示，按照本发明的实施方式，主体由待切割薄膜1和切割方式2组成。将薄膜按照图2的图案进行切割得到费马螺线图案，根据相位叠加是中心叠加场相位从0到360度剧烈变化的原则，选用了费马螺线图案。费马螺线图案包括两条螺线，两条螺线的表达式分别满足：
Figure BDA0001484561880000051
Figure BDA0001484561880000052
其中，上述公式为极坐标表示方法，m为线性系数，决定了图案的大小，这个参数可以根据需要调节的波长进行更改，以适应波长。r1和r2分别为两条螺线的极径，θ1和θ2分别为两条螺线的极角。通过选取合适的m以使得不同波长的声波经过裁剪的相位调控薄膜透射后都能产生稳定的声涡旋。
可选地，当m＝9.1时，11毫米-17毫米的声波经过裁剪的相位调控薄膜透射后都能产生稳定的声涡旋。m为其它值时也会有类似的效果，m主要影响整个图案的大小，以及相应调控的声波波长。调控波长与图案螺纹间距通常在一个量级。
由图3所示，图中斜线阴影部分(未裁剪部分)代表初相位为180度，空白部分(被裁剪部分)代表初相位为0。具体地，入射阴影部分的声波发生180度的相位改变，入射到空白部分的不发生相位改变。平面内的每一点作为子声源相互干涉叠加，最后在透射场形成稳定传播的涡旋。
具体地，根据瑞利-索末菲衍射公式可计算出相应的透射场分布。其透射场的形成具体由图4所示：图4中a，b图分别是在直角坐标系和柱坐标系下讨论的情况，两种情况类似，这里主要以柱坐标系为例进行介绍。XOY所在的平面表示子声源面，而点S所在的平面即为我们所关注的任意一个平行于声源面的目标透射平面，P表示声压。目标平面的任意一点的声压(包含声压的振幅和相位)是声源面上所有源点发出的子声波在目标点处叠加的结果。由瑞利-索末菲衍射积分公式，可以得到目标面上一点的声压表示为(无薄膜的部分对透射场的贡献)：
Figure BDA0001484561880000061
其中，
Figure BDA0001484561880000062
ω为入射波的角频率，k为入射波的波矢。ρair为空气的密度，
Figure BDA0001484561880000063
是柱坐标系下源点(rS,θS,zS)和目标点(r,θ,z)之间的距离，Ω1表示无薄膜部分(被裁剪部分)的积分区间。
而针对有薄膜的部分，由于薄膜对入射声波有180度的相位改变，相当于这部分的初相位增加了180度，所以表现在公式中则为：
Figure BDA0001484561880000064
其中，Ω2表示有薄膜部分的积分区间。
具体到本申请的费马螺线图案，将积分区间代入，可以得到透射后的声波目标面上点的声压为：
Figure BDA0001484561880000065
Figure BDA0001484561880000066
其中，R表示费马螺线图案的最大半径(如图2或图3所示图案的最大半径)，PF代表被裁剪部分对声压的贡献。在一个示例中，R可以被设置为5厘米。
图5为具体生成的涡旋场的仿真和实验测试相位图，所展示的平面为xy平面，平面声波正入射到图案化的器件表面，入射到器件阴影部分(未裁剪部分)的声波发生180度的相位改变，入射到空白部分(被裁减部分)的不发生相位改变。平面内的每一点作为子声源相互干涉叠加，最后在器件之后形成涡旋。从图5的相位场我们可以看到整个平面相位分布在中心处是从-180度到180度变化的，且实验结果和仿真结果吻合较好。
图6为具体生成的涡旋场的仿真和实验测试强度图，所展示的平面为xy平面，平面声波正入射到图案化的器件表面，入射到器件阴影部分(未裁剪部分)的声波发生180度的相位改变，入射到空白部分(被裁减部分)的不发生相位改变。平面内的每一点作为子声源相互干涉叠加，最后在器件之后形成涡旋。从图6的强度场我们可以看到整个平面中心处强度极弱，几乎为0，侧面证明了相位奇异点的存在，相位奇异点即指中心这样相位剧烈变化的点，在这样点处，场强是不存在的。同时，这样的强度分布场可用于粒子旋转、操控等方面。
图7为具体生成的涡旋场随距离变化的仿真相位图，所展示的平面为xy平面，分别仿真了4个距离z下的情况，在这些距离下都形成了完美的涡旋，整个平面相位分布在中心处是从-180度到180度变化的。从图7的相位场我们可以看到随着距离z的增加，整个相位场开始逆时针旋转(极小距离下，涡旋尚不稳定)，证明了这样的一个涡旋场，同时，说明在一定距离范围内，透射过裁剪图案的声波均可生成声涡旋。
图8为具体生成的涡旋场随距离变化的仿真强度图，所展示的平面为xy平面，分别仿真了4个距离z下的情况，在这些距离下都形成了完美的涡旋。从图7的相位场我们可以看到随着距离z的增加，整个强度场几乎保持不变(极小距离下，涡旋尚不稳定)，并且中心场强都为0，证明了透射后的声波在一定距离范围内均形成这样的一个涡旋场。
由图5-图8可知，基于本发明提供的薄膜和剪裁技术可形成稳定声涡旋，并且在透射一定距离内均可形成声涡旋，适用范围更广；并且得到的声涡旋强度效率高，损失小。这样的声涡旋具体可用于噪声隔离，声通讯，粒子操控等方面。
可选地，确定相位调控薄膜，包括：将任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒和任意模量小于颗粒的高分子材料或者软材料溶液均匀混合得到混合溶液；将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，得到带颗粒的静电纺丝纤维，进而由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜，所述静电纺丝薄膜即为相位调控薄膜。
本发明通过不同颗粒与不同高分子材料或者软材料溶液混合后得到的混合溶液，可以制备不同直径和分布的静电纺丝薄膜，由于薄膜中颗粒的振动，从而对不同频率范围声波有180度相位改变，其中，颗粒越多，响应频率越低频；薄膜越厚(小于1毫米的情况下)，响应频率也越低。
可选地，任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒为铜、铁、金、银、铂、钴、镍、铅及其对应的氧化物。
可选地，静电纺丝薄膜的面积与用于喷丝的注射器在垂直于喷丝方向的平面内的移动范围有关，移动范围越大，静电纺丝薄膜的面积越大。静电纺丝薄膜的厚度与纺丝时间有关，纺丝时间越长，静电纺丝薄膜的厚度越厚。静电纺丝纤维的直径与纺丝电压有关，纺丝电压越大，静电纺丝纤维的直径越小。静电纺丝薄膜中的颗粒数目与颗粒和高分子材料或者软材料溶液的质量比有关，质量比越大，静电纺丝薄膜中所含的颗粒数目越多。
以下结合具体实施例对本发明提供的相位调控薄膜进行详细介绍：
实施例1：
将直径0.5微米～1.5微米的铜颗粒和聚乙烯醇(型号：PVA124)水溶液均匀混合，采用的聚乙烯醇水溶液的浓度为7％～12％，而铜颗粒和聚乙烯醇的质量比根据实际需求具体调节。
其中，在本发明实施例中的聚乙烯醇溶液的浓度也可以是其它溶解较稳定的浓度。
在本发明实施例中给出铜颗粒：聚乙烯醇是1:1，1:2，1:4，1:8四种情况。将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，可以得到直径0.5微米～1.5微米的带颗粒的静电纺丝纤维，由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜。
按照本发明配置的不同铜颗粒和聚乙烯醇质量比的混合液体，得到均匀混合的铜颗粒/聚乙烯醇混合液后，就可将此作为原料进行静电纺丝。在本发明实施例中，改变接收距离，纺丝电压，推注速度等参数可以得到不同直径和分布的静电纺丝薄膜。一定范围内，纺丝电压越大，纤维直径越小。推注的速度需要与喷丝的速度(主要是电场力和表面张力等平衡后丝的速度)相协调。推荐的纺丝条件为：环境温度25摄氏度，湿度30％～45％，纺丝电压9.7kV～11.7kV，推注速度0.02mL/s～0.03mL/s。制成的薄膜表面微观形貌扫描电镜图如图9至图12所示，静电纺丝膜制作时铜颗粒和聚乙烯醇的质量比分别为1:8，1:4，1:2，1:1。从图中可看出不同浓度比颗粒数目明显不同。图13到图16分别为上述比例的薄膜进行声波透射测试的结果。我们可以看到在相应的频率范围(如图13-图16所示灰色区域)它们都能够有180度的相位改变，并且保持了较高的透射率(大于80％)。而且随着颗粒占比的增加，频率范围逐渐向低频移动，因此这些薄膜覆盖了从3.8kHz到24kHz的频率范围。
实施例2：
将直径0.5微米～1.5微米的氧化铅颗粒和聚丙烯腈(PAN)的二甲基甲酰胺(DMF)溶液(PAN不溶于水，溶于有机溶剂如DMF等)均匀混合，采用的聚丙烯腈的DMF溶液浓度为8％～12％，而氧化铅颗粒和聚丙烯腈质量比根据实际需求具体调节。
其中，在本发明实施例中的聚丙烯腈溶液的浓度也可以是其它溶解较稳定的浓度。
在本发明实施例中给出氧化铅颗粒：聚丙烯腈是1:1，1:4，1:8，1:16四种情况。将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，可以得到直径0.5微米～1.5微米的带颗粒的静电纺丝纤维，由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜。
按照本发明配置的不同氧化铅颗粒和聚丙烯腈质量比的混合液体，得到均匀混合的氧化铅颗粒/聚丙烯腈混合液后，就可将此作为原料进行静电纺丝。在本发明实施例中，改变接收距离，纺丝电压，推注速度等参数可以得到不同直径和分布的静电纺丝薄膜。一定范围内，纺丝电压越大，纤维直径越小。推注的速度需要与喷丝的速度(主要是电场力和表面张力等平衡后丝的速度)相协调。推荐的纺丝条件为：环境温度25摄氏度，湿度30％～45％，纺丝电压8.7kV～10.7kV，推注速度0.03mL/s～0.04mL/s。
值得指出的是，实例2所用颗粒和软材料可以和实例1互相替换，如果需要最后的薄膜不溶于水，那么就使用不溶于水的聚合物如聚丙烯腈；如果需要薄膜具有磁性就使用磁性的颗粒如四氧化三铁等。
基于本发明的静电纺丝薄膜其厚度可控，纺丝时间越长，厚度越厚；稳定成膜的厚度最薄仅为20微米，为所调控波长1/650，远薄于当前水平(约1/250)，使其能应用在更多的场景。在本发明制备得到的静电纺丝薄膜上的剪切十分方便，并且整体器件也很轻便，成本较低，利于大规模生产制作。采用本发明的静电纺丝薄膜对声波相位进行调控的实现方式是无源的，在能耗和便携性上具有优势。
本发明基于静电纺丝技术制作了相位调控薄膜。由于薄膜中颗粒的振动，会引起声波透射相位发生180度的变化。薄膜的声响应频率主要决定于纺丝纤维与颗粒的密度、模量比，总颗粒占与纤维材料的质量比，和薄膜的厚度等。而这些参数都可以通过材料配比和纺丝参数进行调节。这种薄膜可大面积连续制造，进一步地，这种薄膜可以结合相应的切割技术进行剪切而制作成多功能的器件。在这种柔性薄膜上的剪切十分方便，并且整体器件也很轻便，成本较低，利于大规模生产制作。这种方式也是无源的，在能耗和便携性上具有优势。
可选地，能够将透射相位改变180度的薄膜可以使静电纺丝薄膜，也可以是其它任意能够改变透射相位的器件或者材料；未发生相位改变的部分是被切割(裁剪)掉的部分，也可以是任意能够不改变透射相位，使声波完全透过的材料。
可选地，切割的图案并不局限于图2所描述的方案，图2给出的方案只是产生声涡旋方法的代表，利用本发明给出的薄膜进行裁剪得到声涡旋的方法都属于本发明的保护范围内。
可选地，此种调控方法适用于流体介质，即不论是在空气中或者水中或者其他流体中的调控都是适用的。
可选地，除了对声波进行调控外，此种方法也完全适用于对光波或者电磁波的调控，只需要将薄膜替换成能改变光波透射相位的材料即可。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法，其特征在于，包括：
确定相位调控薄膜，所述相位调控薄膜能够将其透射的声波的相位改变180度；所述确定相位调控薄膜的方法，包括：将任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒和任意模量小于颗粒的高分子材料或者软材料溶液均匀混合得到混合溶液；将混合溶液作为原料，利用静电纺丝技术，得到带颗粒的静电纺丝纤维，进而由静电纺丝纤维堆积形成静电纺丝薄膜，所述静电纺丝薄膜即为所述相位调控薄膜；
对所述相位调控薄膜进行裁剪，将所述相位调控薄膜裁剪成费马螺线图案，使得经过所述裁剪的相位调控薄膜透射后的声波产生稳定传播的声涡旋；
所述费马螺线图案包括两条螺线，两条螺线的表达式分别满足：
Figure FDA0003060700960000011
Figure FDA0003060700960000012
其中，m为线性系数，r1和r2分别为两条螺线的极径，θ1和θ2分别为两条螺线的极角。
2.根据权利要求1所述的基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法，其特征在于，通过选取合适的m以使得不同波长的声波经过裁剪的相位调控薄膜透射后都能产生稳定的声涡旋。
3.根据权利要求2所述的基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法，其特征在于，当m＝9.1时，波长为11毫米-17毫米的声波经过裁剪的相位调控薄膜透射后都能产生稳定的声涡旋。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于图案化裁剪技术形成声涡旋的方法，其特征在于，所述任意密度大于纤维材料的金属颗粒或非金属颗粒为铜、铁、金、银、铂、钴、镍、铅及其对应的氧化物。
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