CN110420825B - 一种声涡旋波束的产生方法、压电换能器阵列及系统 - Google Patents
一种声涡旋波束的产生方法、压电换能器阵列及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本申请涉及一种声涡旋波束的产生方法、压电换能器阵列及系统。所述压电换能器阵列，包括：柔性基底，其在使用状态下为凹球面状，并能够通过弯曲变形动态的改变曲率半径；其在非使用状态下为圆形；固定在所述柔性基底上的若干压电换能器，所述若干压电换能器在圆形的柔性基底上呈螺线状离散排列；所述若干压电换能器的上表面电极通过导线串联在一起，所述若干压电换能器的下表面电极接地。上述压电换能器阵列及系统结构简单、易于集成化和小型化，通过弯曲变形柔性基板的凹球面，可以实现动态改变焦斑深度，使发射阵元指向性变宽，在聚焦区域内能量叠加得到增强，聚焦声学旋涡变的稳定，在传播方向上能够维持较长的距离。
Description
技术领域
本申请涉及声学技术领域，尤其涉及一种声涡旋波束的产生方法、压电换能器阵列及系统。
背景技术
声涡旋波束是一种携带轨道角动量(OAM)的特殊声波，其特征是波前螺旋相位错位。近年来，拥有螺旋相位错位的声涡旋波束引起了广泛关注，其能量和相位分布使其具有很大的应用潜力。该技术在对声学检测、成像或对微小粒子的操控、俘获,特别是在医学领域具有非常广阔的应用前景。角动量的非接触传递使得声涡旋波束可以用作声学扳手；声功率的圆形分布使它们可以用作声镊；拓扑维数的多阶性表明了信道复用在水声通信中的巨大潜力。
发展声涡旋波束应用的瓶颈在于，目前声涡波束的系统整体电路复杂，在小型化和集成化方面存在严重的局限性，成本较高。更重要的是，目前的系统无法动态的改变焦斑深度，从而导致发射阵元指向性狭窄，在聚焦区域内能量叠加较差，聚焦声学旋涡不稳定，在传播方向上维持的距离较短。这些原因阻碍了该技术的广泛推广。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种声涡旋波束的产生方法、压电换能器阵列及系统，通过将离散换能器阵元与柔性基底一起固化来产生声涡旋波束，借助柔性基底的弯曲变形,使得相控激发声蜗旋波束后，弯曲变形形成的凹球面可以实现动态改变焦斑深度，使发射阵元指向性变宽，在聚焦区域内能量叠加得到增强，聚焦声学旋涡变的稳定，在传播方向上能够维持较长的距离。
本发明的第一方面，提供了一种压电换能器阵列，包括：柔性基底，其在使用状态下为凹球面状，并能够通过弯曲变形动态的改变曲率半径；其在非使用状态下为圆形；固定在所述柔性基底上的若干非柔性压电换能器，所述若干非柔性压电换能器在圆形的柔性基底上呈螺线状离散排列；所述若干非柔性压电换能器的上表面电极通过导线串联在一起，所述若干非柔性压电换能器的下表面电极接地。
优选的，所述螺线状为等角螺线状。
优选的，所述柔性基底为PET、PDMS或PI。
优选的，所述非柔性压电换能器为PZT。
本发明的第二方面提供了一种压电换能器阵列系统，包括：第一方面提供的压电换能器阵列；以及正弦信号源，其用于向每个非柔性压电换能器施加同频率同相位的正弦信号。
可选的，所述正弦信号源为同频率同相位的多个正弦信号源，所述多个正弦信号源的第一端子连接至非柔性压电换能器的上表面电极，所述多个正弦信号源的第二端子连接至非柔性压电换能器的下表面电极。
可选的，所述正弦信号源的数量为1个，每个非柔性压电换能器的上表面电极连接至该正弦信号源的第一端子，每个非柔性压电换能器的下表面电极连接至该正弦信号源的第二端子。
本发明的第三方面提供了一种能够动态改变焦斑深度的声涡旋波束的产生方法，包括：将第一方面提供的压电换能器阵列由圆形弯曲为凹球面；对每个非柔性压电换能器施加同频率同相位的正弦信号；动态改变所述凹球面的曲率半径，以动态改变声涡旋波束的焦斑深度。
本申请的压电换能器阵列及系统电路结构简单、易于集成化和小型化，通过弯曲变形柔性基板的凹球面，可以实现动态改变焦斑深度，使发射阵元指向性变宽，在聚焦区域内能量叠加得到增强，聚焦声学旋涡变的稳定，在传播方向上能够维持较长的距离。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1为本发明实施例的压电换能器阵列的工作原理图；
图2为本发明实施例的压电换能器阵列在非弯曲状态下的结构示意图；
图3为本发明实施例的压电换能器阵列变焦斑深度示意图；
图4为本发明实施例的凹球面阵列聚焦示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本申请的示例性实施例。虽然附图中显示了本申请的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
申请人在对压电换能器阵列进行研究时发现，当将阵列中的每个阵元排列为螺旋状时，令每一个阵元都发出正弦声波，由于每一个阵元发出正弦声波都有一定的时间差，因此同一半径方向上的阵元发出的正弦声波的时间是一样的，通过对各个阵元发出的正弦声波进行相互的叠加就可以产生涡旋波束。
参见图1，具体原理如下：
通常在光学领域，对于携带OAM的光波的研究，一般以拉盖尔高斯光束模型为对象，其圆柱坐标表示如下：
其中，p为从0开始编号的径向波节数，
为关联拉盖尔多项式，k为波数，zR＝kw2(0)/2为瑞利范围，
为局部波束宽度，w(0)为束腰，
为古依相移。
受到光学领域的启发，申请人将拉盖尔高斯模型引入到声学，并忽略径向高阶波节及束腰在轴向的扩散，构建了涡旋声束模型。
由此得到其强度分布：
由于实际声源的激发声场可以看做是高斯型的，则由上式的强度分布，可以计算得到离散声源圆阵列的半径。满足如下等式：
n点离散化得到的点声源产生l阶OAM拓扑时的相控阵驱动信号显然应满足下式：
其中，θ为方位角，i为点声源的顺序编号
在光学中，OAM光束的复用过程一般应用光合束器，而在声学里，并不存在可以将独立声场直接耦合的声学器件，因此，OAM声束的耦合是放在信号处理的数字端进行的，将各阶加载了信息的OAM驱动信号加和处理后驱动声源阵列，由此激发得到复用后的OAM声场。复用声场的驱动信号如下式：
利用接收平面的声场幅度和相位信息，及各OAM拓扑之间的独立正交性，信号后处理可解调出原始信息，解调方式如下：
实施例1
根据上述研究成果，本实施例提供了一种产生涡旋声束的压电换能器阵列，其在柔性基底上设置离散化的非柔性压电换能器，并采用了新的阵列排布方式，相比于现有的压电换能器阵列，驱动电路更加简单，阵列排布面积缩小，声涡旋波束聚焦区域能量叠加得到增强，为系统的小型化、低成本带来了可能。
在本实施例的压电换能器阵列的制作过程中，还利用了柔性电子技术中所采用的柔性材料，使得本实施例提供的压电换能器阵列具有充分的延展性和可弯曲性。
参见图2，压电换能器阵列示例性的包括柔性基底、多个非柔性压电换能器和导线。本实施例中的多个非柔性压电换能器优选为离散的硬压电PZT阵元。
所述柔性基底位于阵列结构的最下方，柔性基底优选的采用例如：苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)或聚酰亚胺(PI)，其具有很强的承受变形能力和延展性。
硬压电PZT阵元在柔性基底的表面被离散化，各个离散化的硬压电PZT的上表面电极通过导线串联连接在一起，构成螺线状。申请人经过研究发现任何螺线形的压电换能器阵列均可实现涡旋声束的产生，但是申请人在实验中发现等角螺线产生的涡旋声束能量更为集中，传播距离更远。因此，优选的，将PZT阵列排布为等角螺线状。
进一步的，对每个PZT阵元施加同频同相正弦电压。施加正弦电压时可以使用正弦电压源作为正弦信号源。正弦电压源的数量可以为一个，也可以为多个。具体的：
当正弦信号源或正弦电压源为同频率同相位的多个正弦信号源或正弦电压源时，部分正弦信号源或正弦电压源的第一端子连接至部分PZT阵元的上表面电极，其余的正弦信号源或正弦电压源的第二端子连接至其余的PZT阵元的下表面电极。所述正弦信号源或正弦电压源的数量可以同PZT阵元的数量相同，也可以少于PZT阵元的数量。优选的，PZT阵元下表面电极在驱动中直接接地
当正弦信号源或正弦电压源的数量为1个时，每个PZT阵元的上表面电极被导线串联后再连接至该正弦信号源或正弦电压源的第一端子，每个PZT阵元的下表面电极集中连接至该正弦信号源或正弦电压源的第二端子。优选的，PZT阵元下表面电极在驱动中直接接地
由于柔性基底可以在不同条件下受力弯曲，同时各个离散化的硬压电PZT阵元通过导线连接在一起，也具有一定的拓展性。参见图3，其示出了柔性基底在受力弯曲延展变化中的变焦斑深度，柔性基底在使用状态下为凹球面形，在使用过程中随着受力情况的变化，柔性基底通过弯曲变形改变曲率半径，进而实现变焦斑深度。图3中的RSR为凹球面的曲率，P(x,y,z)点为焦斑在空间的位置坐标。参见图4，其示出了凹球面阵列的聚焦情况，假设阵元的指向性最大值向着几何中心，要求发射阵元有较宽的指向性，这样在聚焦区域内可以有较好的能量叠加。图4中的动态焦点围绕几何中心附近移动(矩形框)。
实施例2
本实施例在实施例1中的压电换能器阵列的基础上，提供了一种声涡旋波束的产生方法，其可以动态的改变焦斑的深度，具体包括如下步骤：
S1：在声学设备中将实施例1中的PZT阵列由圆形弯曲为凹球面。当然该步骤也可以预先完成，例如：声学设备中已经集成了被弯曲为凹球面的PZT阵列，因此在实际使用该声学设备过程中可能不执行上述步骤。
S2：对每个PZT施加同频率同相位的正弦信号；
S3：在使用声学设备中，因为对声学设备施加力量的不同，动态改变所述凹球面的曲率半径，以动态改变声涡旋波束的焦斑深度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种压电换能器阵列，包括柔性基底，其特征在于：
所述柔性基底在使用状态下为凹球面状，并能够通过弯曲变形动态的改变曲率半径；其在非使用状态下为圆形；
压电换能器阵列还包括固定在所述柔性基底上的若干非柔性压电换能器，所述若干非柔性压电换能器在圆形的柔性基底上呈螺线状离散排列；所述若干非柔性压电换能器的上表面电极通过导线串联在一起，所述若干非柔性压电换能器的下表面电极接地。
2.根据权利要求1所述的压电换能器阵列，其特征在于，所述螺线状为等角螺线状。
3.根据权利要求1所述的压电换能器阵列，其特征在于，所述柔性基底的材质为PET、聚碳酸酯PC或聚酰亚胺PI。
4.根据权利要求1所述的压电换能器阵列，其特征在于，所述非柔性压电换能器为PZT。
5.一种压电换能器阵列系统，其特征在于，包括：
权利要求1-4任意所述的压电换能器阵列；
正弦信号源，其用于向每个非柔性压电换能器施加同频率同相位的正弦信号。
6.根据权利要求5所述的压电换能器阵列系统，其特征在于，
所述正弦信号源为同频率同相位的多个正弦信号源，所述多个正弦信号源的第一端子连接至非柔性压电换能器的上表面电极，所述多个正弦信号源的第二端子连接至非柔性压电换能器的下表面电极。
7.根据权利要求5所述的压电换能器阵列系统，其特征在于，
所述正弦信号源的数量为1个，每个非柔性压电换能器的上表面电极连接至该正弦信号源的第一端子，每个非柔性压电换能器的下表面电极连接至该正弦信号源的第二端子。
8.一种声涡旋波束的产生方法，其特征在于，包括：
将权利要求1所述的压电换能器阵列由平板弯曲为凹球面；
对每个非柔性压电换能器施加同频率同相位的正弦信号；
动态改变所述凹球面的曲率半径，以动态改变声涡旋波束的焦斑深度。
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