CN109994100B - 一种基于声学超表面结构的声涡旋波发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于声学超表面结构的声涡旋波发生器，包括m个超胞，超胞包括N个超胞单元，各个超胞单元按照预设顺序依次连接，各个超胞单元的折射率按照预设顺序逐个增加，以使相邻两个超胞单元的相位差为2π/N，其中，N不小于2，m不小于1；声涡旋波发生器为环状结构，其中，当m＝1时，超胞中的第一个超胞单元的首端和最后一个超胞单元的末端连接；当m≥2时，各个超胞首尾依次连接。本申请通过改变各个超胞单元的折射率来实现各个超胞单元的相位变化，不需要对超胞单元的结构进行设计，结构简单，使用过程中有利于提高声涡旋波发生器的整体透射率和转换效率。

Description

一种基于声学超表面结构的声涡旋波发生器
技术领域
本发明实施例涉及声波技术领域，特别是涉及一种基于声学超表面结构的声涡旋波发生器。
背景技术
近年来对声涡旋场的研究受到大量关注，声涡旋场因为其携带着轨道角动量，开辟了一个新的声波操控的自由度，不仅具有重要的科学意义，还在众多领域中具有广泛的应用价值。
目前，产生声涡旋波的方式可以分为有源和无源两大类，有源的即为声学相控技术，本质是用多个独立调控的声学换能器来构成复杂的阵列来产生空间相位分布，为了产生连续的螺旋状波阵面，都需要大量换能器来构成声学阵列，并且运用繁杂的电路来对单个单元独立操控来确保每个换能器对应的驱动信号相位受到精确的调制。
无源的即为采用无源材料来产生，这种声涡旋波发生器相比于有源的声涡旋波发生器中复杂的控制电路而言设计结构简单、成本较低。现有技术中，通常采用基于相位排布的声学超表面结构实现平面波到声涡旋波的转换，但是，由于基于相位排布的声学超表面结构中的各个超胞单元的内部结构需要依据相应的相位进行隔板的设计，一方面超胞单元的设计复杂度较高，另一方面会影响声学超表面结构的整体透射率和转换效率。
鉴于此，如何提供一种解决上述技术问题的基于声学超表面结构的声涡旋波发生器成为本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种基于声学超表面结构的声涡旋波发生器，结构简单、可靠性高，使用过程中有利于提高声涡旋波发生器的整体透射率和转换效率。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于声学超表面结构的声涡旋波发生器，包括m个超胞，所述超胞包括N个超胞单元，各个所述超胞单元按照预设顺序依次连接，各个所述超胞单元的折射率按照所述预设顺序逐个增加，以使相邻两个所述超胞单元的相位差为2π/N，其中，N不小于2，m不小于1；
所述声涡旋波发生器为环状结构，其中，当m＝1时，所述超胞中的第一个超胞单元的首端和最后一个超胞单元的末端连接；当m≥2时，各个所述超胞首尾依次连接。
可选的，所述超胞单元为腔体结构，所述腔体结构的腔体内填充有具有相应的折射率的气体。
可选的，各个所述超胞单元的形状和大小均相同。
可选的，各个所述超胞单元的折射率根据第一计算关系式进行确定，所述第一计算关系式为：
ni＝n1+(i-1)/(N*h)，其中，ni表示第i个超胞单元的折射率，n1表示第1个超胞单元的折射率，n1＝1，i＝1,2,3,…N，h表示超胞单元的厚度。
可选的，所述h＝λ0/12，其中，λ0表示入射声波的波长。
可选的，所述各个所述超胞单元按照顺时针的顺序依次连接。
可选的，所述N＝8。
本发明实施例提供了一种基于声学超表面结构的声涡旋波发生器，包括m个超胞，超胞包括N个超胞单元，各个超胞单元按照预设顺序依次连接，各个超胞单元的折射率按照预设顺序逐个增加，以使相邻两个超胞单元的相位差为2π/N，其中，N不小于2，m不小于1；声涡旋波发生器为环状结构，其中，当m＝1时，超胞中的第一个超胞单元的首端和最后一个超胞单元的末端连接；当m≥2时，各个超胞首尾依次连接。
可见，本实施例中通过对超胞中的各个超胞单元的折射率进行设置使超胞中相邻两个超胞单元的相位差为2π/N，也即使超胞的相位实现在0～2π的变化，从而使基于该超胞的声涡旋波发生器能够将点声源的圆形波转换为具有m个拓扑荷数的涡旋波，并且可以调控旋转方向。本申请通过改变各个超胞单元的折射率来实现各个超胞单元的相位变化，使波阵面具有一定的螺旋相位梯度从而达到转换入射声波的形式和方向的目的不需要对超胞单元的结构进行设计，结构简单、可靠性高，使用过程中有利于提高声涡旋波发生器的整体透射率和转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于声学超表面结构的声涡旋波发生器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种超胞中的各个超胞单元的相位梯度示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种基于声学超表面结构的声涡旋波发生器的结构示意图；
图4为本实施例中提供的一种声涡旋波发生器将f＝3400Hz的点声源转换成逆时针旋转的涡旋波的示意图；
图5为本实施例中提供的另一种声涡旋波发生器将f＝3400Hz的点声源转换成顺时针旋转的涡旋波的示意图；
图6为本实施例中提供的另一种声涡旋波发生器将f＝3400Hz的点声源转换成拓扑荷数为2的涡旋波的示意图；
图7为本实施例中提供的另一种声涡旋波发生器将f＝4700Hz点声源转换成拓扑荷数为3的涡旋波的示意图；
图8为本实施例中提供的另一种声涡旋波发生器将f＝4700Hz点声源转换成拓扑荷数为4的涡旋波的示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种基于声学超表面结构的声涡旋波发生器，结构简单、可靠性高，使用过程中有利于提高声涡旋波发生器的整体透射率和转换效率。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种基于声学超表面结构的声涡旋波发生器的结构示意图。
该声涡旋波发生器，包括m个超胞，超胞包括N个超胞单元11，各个超胞单元11按照预设顺序依次连接，各个超胞单元11的折射率按照预设顺序逐个增加，以使相邻两个超胞单元11的相位差为2π/N，其中，N不小于2，m不小于1；
声涡旋波发生器为环状结构，其中，当m＝1时，超胞中的第一个超胞单元11的首端和最后一个超胞单元11的末端连接；当m≥2时，各个超胞首尾依次连接。
需要说明的是，本实施例中的声涡旋波发生器是环形结构，并且m的具体数值可以根据实际需要进行确定，例如，当需要实现将入射声波转换为1个拓扑荷数的涡旋波时，声涡旋波发生器包括一个超胞，当需要实现将入射声波转换为2个拓扑荷数的涡旋波时，则声涡旋波发生器包括两个超胞，也即，需要实现几个拓扑荷数的涡旋波则声涡旋波发生器中就设置几个超胞。其中，本实施例中的声涡旋波发生器在使用时，点声源位于声涡旋波发生器的圆心处。
具体的，本实施例中的超胞中的N个超胞单元11分别具有不同的折射率，并且N个超胞单元11依次连接，形成弯曲形的声学超表面结构，通过调节各个超胞单元11的折射率使各个超胞单元11的折射率按照预设顺序依次增加，从而使与每个超胞单元11对应的相位依次增加，相邻两个超胞单元11的相位差为2π/N，以使N个超胞单元11的相位实现在0～2π的变化，例如，当N为8时，每相邻两个超胞单元11的相位差为π/4。
当声涡旋波发生器中只包括一个超胞时，也即m＝1时，由于声涡旋波发生器时环状结构，所以该超胞中的各个超胞单元11依次相连接后，第一个超胞单元11的首端和最后一个超胞单元11的尾端相连接，从而使该超胞形成环状结构，也即形成环状结构的声涡旋波发生器。例如，N＝8，m＝1时的声涡旋波发生器如图1所示，其中，8个超胞单元11可以按照顺时针的顺序依次连接，其中，第一超胞单元11、第二超胞单元11、第三超胞单元11……第八超胞单元11的折射率分别为n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7和n8，图1中的h表示超胞单元11的厚度，R表示环状结构的外环半径，r表示环状结构的内环半径，并且8个超胞单元11的相位梯度图如图2所示。
当声涡旋波发生器中包括多个超胞时，也即m≥2时，各个超胞的首尾端依次相连接，从而形成环状结构的声涡旋波发生器。例如，N＝8，m＝2时的声涡旋波发生器如图3所示，其中，左侧的(顺时针折射率分别为n1～n8)的各个超胞单元11构成第一超胞，右侧的(顺时针折射率分别为n1～n8)的各个超胞单元11构成第二超胞，每个超胞均包括8个超胞单元11，8个超胞单元11可以按照顺时针的顺序依次连接，并且每个超胞单元11中的第一超胞单元11、第二超胞单元11、第三超胞单元11……第八超胞单元11的折射率可以分别为n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7和n8。
具体的，本实施例中的各个超胞单元11可以均为腔体结构，并且腔体结构的腔体内填充有具有相应的折射率的气体。
也即，本实施例中可以通过在超胞单元11的腔体内填充具有相应折射率的物质使超胞单元11具有相应的折射率，具体可以向腔体中填充相应折射率的气体，该气体可以选择与空气阻抗匹配的气体，以使声波在空气中透射率高，转换效果好。当然，也可以向超胞单元11的腔体中填充其他的物质，具体本实施例不做特殊限定，能够实现本实施例的目的即可。
进一步的，为了方便对各个超胞单元11中填充的物质的折射率进行调整，本实施例中各个超胞单元11的形状和大小均可以相同。
更进一步的，本实施例中的各个超胞单元11的折射率可以根据第一计算关系式进行确定，其中，第一计算关系式为：
ni＝n1+(i-1)/(N*h)，其中，ni表示第i个超胞单元11的折射率，n1表示第1个超胞单元11的折射率，n1＝1，i＝1,2,3,…N，h表示超胞单元11的厚度。
具体的，n1为空气的折射率，各个超胞单元11的折射率根据第一计算关系式计算出后，根据折射率的具体数值对相应超胞单元11内的填充气体进行配比，使该超胞单元11在填充气体后具有相应的折射率。
其中，为了提高涡旋效果，本实施例中的h可以为λ0/12，λ0表示入射声波的波长，当然，在基于亚波长尺寸的基础上，该h还可以为其他的具体数值，并且，图1中的R可以为4.3cm，r可以为3.5cm。当然，R和r的具体数值可以根据实际需要进行设定，本实施例不做特殊限定。
具体的，本实施例中的超胞的各个超胞单元11可以按照顺时针的顺序依次连接。也即，第一超胞单元11、第二超胞单元11、第三超胞单元11……第N超胞单元11顺时针依次相连，并且折射率逐个增大，其中，当m＝1、N＝8时，通过该声涡旋波发生器将f＝3400Hz的点声源转换成逆时针旋转的涡旋波如图4所示。
当然，超胞中的各个超胞单元11可以按照逆时针的顺序依次连接，也即，第一超胞单元11、第二超胞单元11、第三超胞单元11……第N超胞单元11逆时针依次相连，并且折射率逐个增大，其中，当m＝1、N＝8时，通过该声涡旋波发生器将f＝3400Hz的点声源转换成顺时针旋转的涡旋波如图5所示。
另外，对于m＝2、m＝3或m＝4的情况，也即，声涡旋波发生器中包括2个、3个或4个超胞，从而分别实现相位4π、6π或8π的变化，对应2个拓扑荷数、3个拓扑荷数和4个拓扑荷数的涡旋波，其中，f＝3400Hz点声源转换成拓扑荷数为2的涡旋波如图6所示，f＝4700Hz点声源转换成拓扑荷数为3的涡旋波如图7所示，f＝4700Hz点声源转换成拓扑荷数为4的涡旋波如图8所示。
需要说明的是，本实施例中的N不限于为8，还可以为其他的具体数值，具体可以根据实际需要进行确定，本申请在此不做特殊限定。
本发明实施例提供了一种基于声学超表面结构的声涡旋波发生器，包括m个超胞，超胞包括N个超胞单元，各个超胞单元按照预设顺序依次连接，各个超胞单元的折射率按照预设顺序逐个增加，以使相邻两个超胞单元的相位差为2π/N，其中，N不小于2，m不小于1；声涡旋波发生器为环状结构，其中，当m＝1时，超胞中的第一个超胞单元的首端和最后一个超胞单元的末端连接；当m≥2时，各个超胞首尾依次连接。
可见，本实施例中通过对超胞中的各个超胞单元的折射率进行设置使超胞中相邻两个超胞单元的相位差为2π/N，也即使超胞的相位实现在0～2π的变化，从而使基于该超胞的声涡旋波发生器能够将点声源的圆形波转换为具有m个拓扑荷数的涡旋波，并且可以调控旋转方向。本申请通过改变各个超胞单元的折射率来实现各个超胞单元的相位变化，使波阵面具有一定的螺旋相位梯度从而达到转换入射声波的形式和方向的目的不需要对超胞单元的结构进行设计，结构简单、可靠性高，使用过程中有利于提高声涡旋波发生器的整体透射率和转换效率。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于声学超表面结构的声涡旋波发生器，其特征在于，包括m个超胞，所述超胞包括N个超胞单元，各个所述超胞单元按照预设顺序依次连接，各个所述超胞单元的折射率按照所述预设顺序逐个增加，以使相邻两个所述超胞单元的相位差为2π/N，其中，N不小于2，m不小于1；
所述声涡旋波发生器为环状结构，其中，当m＝1时，所述超胞中的第一个超胞单元的首端和最后一个超胞单元的末端连接；当m≥2时，各个所述超胞首尾依次连接；其中：
各个所述超胞单元的折射率根据第一计算关系式进行确定，所述第一计算关系式为：
ni＝n1+(i-1)/(N*h)，其中，ni表示第i个超胞单元的折射率，n1表示第1个超胞单元的折射率，n1＝1，i＝1,2,3,…N，h表示超胞单元的厚度。
2.根据权利要求1所述的基于声学超表面结构的声涡旋波发生器，其特征在于，所述超胞单元为腔体结构，所述腔体结构的腔体内填充有具有相应的折射率的气体。
3.根据权利要求2所述的基于声学超表面结构的声涡旋波发生器，其特征在于，各个所述超胞单元的形状和大小均相同。
4.根据权利要求1所述的基于声学超表面结构的声涡旋波发生器，其特征在于，所述h＝λ0/12，其中，λ0表示入射声波的波长。
5.根据权利要求1所述的基于声学超表面结构的声涡旋波发生器，其特征在于，所述各个所述超胞单元按照顺时针的顺序依次连接。
6.根据权利要求1所述的基于声学超表面结构的声涡旋波发生器，其特征在于，所述N＝8。
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