CN110010119B - 一种声学超表面结构及声涡旋波发生器 - Google Patents

一种声学超表面结构及声涡旋波发生器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种声学超表面结构及声涡旋波发生器，该声学超表面结构包括圆柱状超胞，所述圆柱状超胞包括N个相交于所述圆柱状超胞的中心轴线的扇形超胞单元，各个所述扇形超胞单元按照预设顺序进行排列，每个所述扇形超胞单元的折射率依据预设规则进行设定，以使各个所述扇形超胞单元对应的相位按照预设顺序依次增加，且相邻两个所述扇形超胞单元的相位差为mπ/N，其中，所述m为大于1的奇数，所述N不小于3。本申请在使用过程中能够实行平面波到拓扑荷数为分数的声涡旋波的转换，有利于满足用户需求，并且结构简单、透过率高。

Description

一种声学超表面结构及声涡旋波发生器
技术领域
本发明实施例涉及声波技术领域，特别是涉及一种声学超表面结构及声涡旋波发生器。
背景技术
随着科学技术的发展，声波的应用也越来越广泛。在声涡旋场中，声波会在行进过程中沿着其轴扭转运动，形成类似螺丝锥的形态，这种扭转会造成轴线上波的叠加相消，形成一个具有零场强的中心。声涡旋波发生器可将平面波转换为传播相位关于零场强中心呈螺旋线变化的涡旋波束。
现有技术中的声涡旋波发生器通常采用常规的声学超表面单元，只能实现平面波到拓扑荷数为整数的声涡旋波的传播，还不能实现平面波到拓扑荷数为分数的声涡旋波的传播。
鉴于此，如何提供一种解决上述技术问题的声学超表面结构及声涡旋波发生器成为本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种声学超表面结构及声涡旋波发生器，在使用过程中能够实行平面波到拓扑荷数为分数的声涡旋波的转换，有利于满足用户需求，并且结构简单、透过率高。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种声学超表面结构，包括圆柱状超胞，所述圆柱状超胞包括N个相交于所述圆柱状超胞的中心轴线的扇形超胞单元，各个所述扇形超胞单元按照预设顺序进行排列，每个所述扇形超胞单元的折射率依据预设规则进行设定，以使各个所述扇形超胞单元对应的相位按照所述预设顺序依次增加，且相邻两个所述扇形超胞单元的相位差为mπ/N，其中，所述m为大于1的奇数，所述N不小于3。
可选的，各个所述扇形超胞单元均为腔体结构，每个所述腔体结构内填充有具有相应折射率的气体。
可选的，各个所述扇形超胞单元的大小相同。
可选的，所述各个所述扇形超胞单元的折射率依据预设规则进行设定为：
各个所述扇形超胞单元的折射率依据第一计算关系式进行确定，其中，所述第一计算关系式为：
Figure BDA0002020173220000021
其中，φi表示第i个扇形超胞单元对应的相位，λ表示入射声波波长，ni表示第i个扇形超胞单元的折射率，i＝1,2,3…N，h表示所述圆柱状超胞的高度。
可选的，所述h为0.4cm。
可选的，各个所述扇形超胞单元按照顺时针的顺序进行排列。
可选的，所述N为6。
可选的，所述圆柱状超胞的半径为0.24cm。
本发明实施例提供了一种声涡旋波发生器，包括如上述所述的声学超表面结构。
本发明实施例提供了一种声学超表面结构及声涡旋波发生器，该声学超表面结构包括圆柱状超胞，所述圆柱状超胞包括N个相交于所述圆柱状超胞的中心轴线的扇形超胞单元，各个所述扇形超胞单元按照预设顺序进行排列，每个所述扇形超胞单元的折射率依据预设规则进行设定，以使各个所述扇形超胞单元对应的相位按照预设顺序依次增加，且相邻两个所述扇形超胞单元的相位差为mπ/N，其中，所述m为大于1的奇数，所述N不小于3。
可见，本实施例中的声学超表面结构中超胞为圆柱状结构，并且通过对各个扇形超胞单元的折射率进行设定，能够使各个扇形超胞单元对应的相位按照预设顺序依次增加，同时还能够使相邻两个扇形超胞单元的相位差为mπ/N，也即使圆柱状超胞的相位实现在0～mπ的变化，本申请中的m为大于1的奇数，所以本实施例中的声学超表面结构能够将通过该声学超表面结构的平面波转换为拓扑荷数为分数的涡旋波。本申请在使用过程中能够实行平面波到拓扑荷数为分数的声涡旋波的转换，有利于满足用户需求，并且结构简单、透过率高。
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声学超表面结构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种声学超表面结构的俯视图；
图3为通过本发明实施例提供的声学超表面结构所产生的声涡旋波示意图；
图4为本发明实施例提供的一种拓扑荷数为1.5的声涡旋波相位图；
图5为本发明实施例提供的一种拓扑荷数为1.5的声涡旋波的绝对压力场示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种声学超表面结构及声涡旋波发生器，在使用过程中能够实行平面波到拓扑荷数为分数的声涡旋波的转换，有利于满足用户需求，并且结构简单、透过率高。
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声学超表面结构的结构示意图。
该声学超表面结构，包括圆柱状超胞1，圆柱状超胞1包括N个相交于圆柱状超胞1的中心轴线的扇形超胞单元11，各个扇形超胞单元11按照预设顺序进行排列，每个扇形超胞单元11的折射率依据预设规则进行设定，以使各个扇形超胞单元11对应的相位按照预设顺序依次增加，且相邻两个扇形超胞单元11的相位差为mπ/N，其中，m为大于1的奇数，N不小于3。
需要说明的是，本实施例中的声学超表面结构具有圆柱状超胞1，该圆柱状超胞1分成多个扇形超胞单元11，例如具有6个扇形超胞单元11(如图1所示)，其中，每个扇形超胞单元都是独立的，并且按照预设规则对各个扇形超胞单元11的折射率进行设定，扇形超胞单元11的折射率能够进一步确定该扇形超胞单元11对应的相位，为了使圆柱状超胞1在使用过程中能够将入射的平面波转换为拓扑荷数为分数的涡旋波，所以本实施例中圆柱状超胞1需要能够实现0～mπ范围的相位变化，其中，m是不小于1的奇数(例如为3或5等，具体可以根据实际需要进行确定)，并且通过对各个扇形超胞单元11的折射率进行设定，使相邻两个扇形超胞单元11的相位差为mπ/N，也即每两个相邻扇形超胞单元11中的后者(按照预设顺序进行排列)对应的相位比前者对应的相位大mπ/N。
例如当各个(如6个)扇形超胞单元11顺时针排列时，第一个扇形超胞单元、第二个扇形超胞单元……第六个扇形超胞单元对应的折射率分别为n1、n2、n3、n4、n5和n6(如图2所示)，当圆柱状超胞1实现0～3π范围的相位变化(也即m＝3)时，通过对各个扇形超胞单元的折射率进行设定，使第一个扇形超胞单元、第二个扇形超胞单元……第六个扇形超胞单元分别对应的相位依次增加π/2，具体的，n1可以等于n5，n4可以等于n6，n1＝n5＝1，n4＝n6＝1.4，n2＝2.2，n3＝1.8，从而使第一个扇形超胞单元、第二个扇形超胞单元……第六个扇形超胞单元对应的相位分别为π/2、π、3π/2、2π、5π/2、3π，并且沿方位角方向线性梯度排列，从而使频率为53125Hz的平面波入射后经过该圆柱状超胞1中的各个扇形超胞单元11后能够转换为拓扑荷数为1.5的声涡旋波(如图3所示)。其中，声涡旋波的相位截面图如图4所示，可以看到在一个环形回路中相位0渐变至3π，并且拓扑荷数为1.5的声涡旋波的绝对压力场的截面图如图5所示，可以看出，声涡旋波的绝对压力场呈环状分布，在中心处存在一个没有声压的区域。
还需要说明的是，本实施例中的各个扇形超胞单元11不仅可以顺时针排列，还可以逆时针排列，具体排列方式可以根据实际需要进行确定，本申请不做特殊限定。另外，本实施例中圆柱状超胞1所包括的扇形超胞单元11的数量不仅限于为6个，也可以为其他的具体数值，具体可以根据实际需要进行确定。
进一步的，为了方便设定各个扇形超胞单元11的折射率，本实施例中各个扇形超胞单元11可以均为腔体结构，并且每个腔体结构内填充有具有相应折射率的气体。
具体的，本实施例中的相邻两个扇形超胞单元11之间可以通过塑料板隔开，并且通过在扇形超胞单元11的腔体内填充具有相应折射率的物质使扇形每个超胞单元11具有相应的折射率，具体可以向扇形超胞单元11的腔体中填充具有相应折射率的气体。当然，也可以向扇形超胞单元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。
更进一步的，为了方便对各个扇形超胞单元11中填充的物质的折射率进行调整，本实施例中优选的各个扇形超胞单元11的大小相同。
更进一步的，本实施例中的各个扇形超胞单元11的折射率依据预设规则进行设定为：
各个扇形超胞单元11的折射率依据第一计算关系式进行确定，其中，第一计算关系式为：
Figure BDA0002020173220000051
其中，φi表示第i个扇形超胞单元11对应的相位，λ表示入射声波波长，ni表示第i个扇形超胞单元11的折射率，i＝1,2,3…N，h表示圆柱状超胞的高度。
具体的，当声波频率固定后，入射声波的波长也固定，并且，当m确定后，即可得到每个扇形超胞单元11对应的相位值，故可以根据第一计算关系式得到与相应相位值对应的折射率值，然后选择与该折射率值对应的气体对相应的扇形超胞单元11进行填充，从而使扇形超胞单元11具有相应的折射率。
其中，为了使转换后的涡旋波具有较好的涡旋效果，本实施例中的h可以为0.4cm，圆柱状超胞1的半径可以为0.24cm，也即每个扇形超胞单元11的半径可以为0.24cm。当然，圆柱状超胞1的半径和高度的具体数值均可以根据实际情况进行确定，本实施例不做特殊限定。
可见，本实施例中的声学超表面结构中超胞为圆柱状结构，并且通过对各个扇形超胞单元的折射率进行设定，能够使各个扇形超胞单元对应的相位按照预设顺序依次增加，同时还能够使相邻两个扇形超胞单元的相位差为mπ/N，也即使圆柱状超胞的相位实现在0～mπ的变化，本申请中的m为大于1的奇数，所以本实施例中的声学超表面结构能够将通过该声学超表面结构的平面波转换为拓扑荷数为分数的涡旋波。本申请在使用过程中能够实行平面波到拓扑荷数为分数的声涡旋波的转换，有利于满足用户需求，并且结构简单、透过率高。
另外，本实施例中的声学超表面结构可以通过3D打印将其打印出来，易于制作。
在上述实施例的基础上，本发明实施例提供了一种声涡旋波发生器，包括如上述的声学超表面结构。
需要说明的是，本实施例中所提供的声涡旋波发生器具有与上述实施例中所提供的声学超表面结构相同的有益效果，并且对于本实施例中所涉及到的声学超表面结构的具体介绍请参照上述实施例，本申请在此不再赘述。
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 (9)

1.一种声学超表面结构，其特征在于，包括圆柱状超胞，所述圆柱状超胞包括N个相交于所述圆柱状超胞的中心轴线的扇形超胞单元，各个所述扇形超胞单元按照预设顺序进行排列，每个所述扇形超胞单元的折射率依据预设规则进行设定，以使各个所述扇形超胞单元对应的相位按照所述预设顺序依次增加，且相邻两个所述扇形超胞单元的相位差为mπ/N，其中，所述m为大于1的奇数，所述N不小于3。
2.根据权利要求1所述的声学超表面结构，其特征在于，各个所述扇形超胞单元均为腔体结构，每个所述腔体结构内填充有具有相应折射率的气体。
3.根据权利要求2所述的声学超表面结构，其特征在于，各个所述扇形超胞单元的大小相同。
4.根据权利要求3所述的声学超表面结构，其特征在于，所述各个所述扇形超胞单元的折射率依据预设规则进行设定为：
各个所述扇形超胞单元的折射率依据第一计算关系式进行确定，其中，所述第一计算关系式为：
Figure FDA0004117052390000011
其中，φi表示第i个扇形超胞单元对应的相位，λ表示入射声波波长，ni表示第i个扇形超胞单元的折射率，i＝1,2,3…,N，h表示所述圆柱状超胞的高度。
5.根据权利要求4所述的声学超表面结构，其特征在于，所述h为0.4cm。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的声学超表面结构，其特征在于，各个所述扇形超胞单元按照顺时针的顺序进行排列。
7.根据权利要求6所述的声学超表面结构，其特征在于，所述N为6。
8.根据权利要求7所述的声学超表面结构，其特征在于，所述圆柱状超胞的半径为0.24cm。
9.一种声涡旋波发生器，其特征在于，包括如权利要求1-8任意一项所述的声学超表面结构。
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