CN114822482A - 一种耦合声涡旋发射器及其应用 - Google Patents

一种耦合声涡旋发射器及其应用 Download PDF

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CN114822482A CN202210239606.5A CN202210239606A CN114822482A CN 114822482 A CN114822482 A CN 114822482A CN 202210239606 A CN202210239606 A CN 202210239606A CN 114822482 A CN114822482 A CN 114822482A
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刘晓峻
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Abstract

本发明属于声学器件领域，涉及一种耦合声涡旋发射器及其应用，所述耦合声涡旋发射器，包括结构板，所述结构板上设置有若干按螺线分布的圆孔，若干所述圆孔的排布既位于一组逆时针旋转的螺线上，同时也位于一组顺时针旋转的螺线上。当入射声波通过耦合声涡旋发射器时，产生两个具有相反拓扑荷的涡旋声场，并且两个涡旋声场间相互作用形成声学花瓣波束，本发明的加工过程简单，可以广泛应用于声学通信和粒子操控等领域。

Description

一种耦合声涡旋发射器及其应用
技术领域
本发明属于声学器件领域，涉及一种耦合声涡旋发射器及其应用。
背景技术
携带轨道角动量的涡旋声束由于其在微粒操控以及声通信等方面具有显著的应用价值，在过去十年中被广泛研究。到目前为止，各种各样的涡旋声束被用于不同的领域。例如，聚焦声涡旋由于具有强的辐射力和力矩，使得其在粒子操控这一应用上展示了极大的优越性；贝塞尔涡旋具有传播不变性和非衍射特性，可以很好地用于信息的长距离传输；分数阶声涡旋具有径向不连续的相位和环形强度环上的低强度间隙，为微粒的传输和通信提供了额外的调制。
最近几年，在光学上，两个光涡旋之间的耦合引起了研究人员的广泛关注，导致了一系列有趣的现象，例如暗晶格、齿轮以及花瓣波束。在两个光涡旋中间，尤其是两个具有相反拓扑荷涡旋间的耦合在微粒操控、光学测量以及光学通信上有着巨大的潜在应用价值。
但是，在声学上，目前的研究大多基于单个声涡旋的产生和应用，针对两个涡旋间耦合的研究依旧很匮乏。由于正交特性，声涡旋可以用来增大声通信中信息信道容量，不同声涡旋间的轨道角动量是互不影响的，因此将声涡旋之间的耦合运用于声通信中是合理的。如何设计一种高效、简单、低成本的声学花瓣波束发射器直接实现两个涡旋间的耦合一直在声学领域是一个热点问题。
目前产生声学花瓣波束的方式主要依赖于主动换能器阵列，该方法通过将不同拓扑荷的声涡旋声压场信息叠加，并将叠加后的声场信息发送到换能器阵列上，来实现不同声涡旋间的耦合。然而，这种主动型的换能器阵列具有巨大的设计成本和繁琐的操作流程，限制了其在应用上的进一步发展。最近，一种被动型衍射声栅被提出，该结构是将两组螺缝直接叠加，来实现同时产生不同拓扑荷声涡旋的目的，但这种结构在实际中很难加工。因此为了进一步的实际应用，一种简单可加工的被动型声学人工结构实现耦合声涡旋的策略是迫切需要的。
发明内容
为改善现有技术的不足，本发明提供了一种可以产生声学花瓣波束的耦合声涡旋发射器，该发射器是一个完全简并的中心对称的圆孔声学人工结构板，声波通过在圆孔里的特殊衍射和透射声波之间的相互干涉能够在传播方向上同时产生具有相反拓扑荷数的声涡旋，并且通过两个声涡旋之间的相互作用来实现声学花瓣波束，耦合声涡旋的轨道角动量可以通过改变相邻圆孔的间隔角来调整。
为了实现上述的目的，本发明的一种耦合声涡旋发射器，包括结构板，所述结构板上设置有若干按螺线分布的圆孔，若干所述圆孔的排布既位于一组逆时针旋转的螺线上，也位于一组顺时针旋转的螺线上。
优选地，所述圆孔不连续地分布在螺线上，代替连续分布的螺缝。
根据本发明的实施方案，所述圆孔排布在M条逆时针旋转的螺线上，同时排布在M条顺时针旋转的螺线上，所述M为正整数。
优选地，位于M条逆时针旋转的螺线上的圆孔与位于M条顺时针旋转的螺线上的圆孔完全重合。
根据本发明的实施方案，每条螺线上的圆孔数量为N，所述N为正整数，例如所述N为2SM，其中，S为螺线的扭转次数。
优选地，每条螺线上相邻圆孔的角间隔为πM。
优选地，所述圆孔的直径为0.1-1.6mm，例如为1mm。
根据本发明的实施方案，所述结构板的声阻抗值与周围背景介质声阻抗值的比值至少为20，优选地，所述结构板的声阻抗值与周围背景介质声阻抗值的比值大于30，例如为20、25、30、40。
根据本发明的实施方案，所述圆孔按阿基米德螺线、费马螺线或者菲涅尔螺线排布。
优选地，所述圆孔按阿基米德螺线排布，例如，所述圆孔按M条逆时针分布旋转的阿基米德螺线排布和/或M条顺时针旋转的阿基米德螺线排布。
优选地，所述逆时针旋转的阿基米德螺线的曲线方程为
Figure BDA0003543816650000031
其中，θ的取值范围为0≤θ≤2πS，S为当前螺旋的扭转次数，S为大于等于1的正整数，λ是入射平面声波波长，M是阿基米德螺线的条数。
优选地，所述顺时针旋转的阿基米德螺线的曲线方程为
Figure BDA0003543816650000032
其中，θ的取值范围为-2πS≤θ≤0，S为当前螺旋的扭转次数，S为大于等于1的正整数，λ是入射平面声波波长，M是阿基米德螺线的条数。
根据本发明的实施方案，所述M条逆时针旋转的阿基米德螺线中，位于第
Figure BDA0003543816650000033
根逆时针阿基米德螺线上的第
Figure BDA0003543816650000034
个圆孔的位置为：
Figure BDA0003543816650000035
其中，λ是入射平面声波波长，r0是螺旋线的初始半径，S是当前螺旋线的扭转次数，S为大于等于1的正整数。
优选地，当平面声波入射到所述M条逆时针旋转的阿基米德螺线后，一个拓扑荷为M的涡旋声场可以被产生。
例如，位于第1根逆时针旋转的阿基米德螺线上的第
Figure BDA0003543816650000036
个圆孔的极坐标方程为
Figure BDA0003543816650000037
和
Figure BDA0003543816650000038
其中，r0是阿基米德螺旋线的初始半径，λ是入射声平面声波波长，S是当前螺旋线的扭转次数，N是当前螺线上圆孔的数目，n1的取值是从1到N的正整数。
优选地，位于同一逆时针旋转的阿基米德螺线的其他圆孔，可以由第1根逆时针旋转的阿基米德螺线上的圆孔旋转2π/M,...,(M-1)2π/M得到。
根据本发明的实施方案，所述M条顺时针旋转的阿基米德螺线中，位于第
Figure BDA0003543816650000041
根顺时针旋转阿基米德螺线上的第
Figure BDA0003543816650000042
个圆孔的位置可以表示为
Figure BDA0003543816650000043
其中，λ是入射平面声波波长，r0是螺旋线的初始半径，S是当前螺旋线的扭转次数，S为大于等于1的正整数。
优选地，当平面声波入射到所述M条顺时针旋转的阿基米德螺线后，一个拓扑荷为-M的涡旋声场可以被产生。
例如，位于第1根顺时针旋转的阿基米德螺线上的第
Figure BDA0003543816650000044
个圆孔的极坐标方程为
Figure BDA0003543816650000045
和
Figure BDA0003543816650000046
其中，r0是阿基米德螺旋线的初始半径，λ是入射声平面波的波长，S是当前螺旋线的扭转次数，N是当前螺线上圆孔的数目，n1的取值是从1到N的正整数。
优选地，位于同一顺时针旋转的阿基米德螺线上的其他圆孔，可由位于第1根顺时针旋转的阿基米德螺线上的圆孔旋转2π/M,...,(M-1)2π/M得到。
作为一个实例地，当N为2SM时，按M条逆时针旋转的阿基米德螺线排布和M条顺时针旋转的阿基米德螺线排布的两组圆孔是完全简并的，即位于第
Figure BDA0003543816650000047
根逆时针旋转的阿基米德螺线上的第nth个圆孔与第
Figure BDA0003543816650000048
根顺时针旋转的阿基米德螺线上的第nth个圆孔共享相同的位置。
优选地，所述发射器上圆孔按费马螺线排布，例如，所述圆孔按M条逆时针旋转的费马螺线排布或按M条顺时针旋转的费马螺线排布。
根据本发明的实施方案，所述M条逆时针旋转的费马螺线中，位于第
Figure BDA0003543816650000051
根逆时针旋转的费马螺线的第
Figure BDA0003543816650000052
个圆孔的位置可以表示为：
Figure BDA0003543816650000053
其中，λ是入射平面声波波长，r0是螺旋线的初始半径，S是当前螺旋线的扭转次数。
优选地，当平面声波入射到所述M条逆时针旋转的费马螺线后，一个拓扑荷为M的涡旋声场可以被产生。
例如，位于第1根逆时针旋转的费马螺线上的第
Figure BDA0003543816650000054
个圆孔的极坐标方程为
Figure BDA0003543816650000055
和
Figure BDA0003543816650000056
其中，r0是费马螺旋线的初始半径，λ是入射声平面声波波长，S是当前螺旋线的扭转次数，F是预设的焦距,N是当前螺线上圆孔的数目，n1的取值是从1到N的正整数。
优选地，位于同一逆时针旋转的费马螺线上的其他圆孔，可由位于第1根逆时针旋转的费马螺线上的圆孔旋转2π/M,...,(M-1)2π/M得到。
根据本发明的实施方案，所述M条顺时针旋转的费马螺线中，位于第
Figure BDA0003543816650000057
根顺时针旋转的费马螺线上的第
Figure BDA0003543816650000058
个圆孔的位置可以表示为：
Figure BDA0003543816650000059
优选地，当平面声波入射到所述M条顺时针旋转的费马螺线后，一个拓扑荷为-M的涡旋声场可以被产生。
例如，位于第1根顺时针旋转的费马螺线上的第
Figure BDA00035438166500000510
个圆孔的极坐标方程为
Figure BDA0003543816650000061
和
Figure BDA0003543816650000062
其中r0是费马螺旋线的初始半径，λ是入射平面声波的波长，S是当前螺旋线的扭转次数，F是预设的焦距,N是当前螺线上圆孔的数目，n1的取值是从1到N的正整数。
优选地，位于同一顺时针旋转的费马螺线上的其他圆孔，可由位于第1根顺时针旋转的费马螺线上的圆孔旋转2π/M,...,(M-1)2π/M得到。
作为一个实例地，当N为2SM，按M条逆时针旋转的费马螺线排布和M条顺时针旋转的费马螺线排布的两组圆孔是完全简并的，即位于第
Figure BDA0003543816650000063
根逆时针旋转的费马螺线上的第nth个圆孔与第
Figure BDA0003543816650000064
根顺时针旋转的费马螺线上的第nth个圆孔共享相同的位置。
根据本发明的实施方案，所述圆孔按照菲涅尔螺线排布，例如，所述圆孔按M条顺时针旋转的菲涅尔螺线排布。
根据本发明的实施方案，所述M条逆时针旋转的菲涅尔螺线中，位于第
Figure BDA0003543816650000065
根逆时针旋转的菲涅尔螺线上的第
Figure BDA0003543816650000066
个圆孔的位置可以表示为：
Figure BDA0003543816650000067
其中，λ是入射平面声波的波长，
Figure BDA0003543816650000068
是菲涅尔螺旋线的初始半径，F是设定的焦距，S是当前螺旋线的扭转次数，N是当前螺线上圆孔的数目，m1的取值是从1到M的正整数，n1的取值是从1到N的正整数。
优选地，当平面声波入射到M条逆时针旋转的菲涅尔螺线后，一个拓扑荷为M的聚焦声涡旋声场可以被产生。
根据本发明的实施方案，所述M条顺时针旋转的菲涅尔螺线中，位于第
Figure BDA0003543816650000069
根顺时针旋转的菲涅尔螺线上的第
Figure BDA0003543816650000071
个圆孔的位置可以表示为：
Figure BDA0003543816650000072
其中，其中r0是菲涅尔螺旋线的初始半径，λ是入射声平面波的波长，F是预设的焦距，S是当前螺旋线的扭转次数，N是当前螺线上圆孔的数目，m2的取值是从1到M的正整数，n2的取值是从1到N的正整数。
优选地，当平面声波入射到所述M条顺时针旋转的菲涅尔螺线后，一个拓扑荷为-M的聚焦声涡旋声场可以被产生。
作为一个实例地，当N的值为2SM时，按M条逆时针旋转的菲涅尔螺线排布和M条顺时针旋转的菲涅尔螺线排布的两组圆孔是完全简并的，即位于第
Figure BDA0003543816650000073
根逆时针旋转的菲涅尔螺线上的第nth个圆孔与第
Figure BDA0003543816650000074
根顺时针旋转的菲涅尔螺线上的第nth个圆孔共享相同的位置。
优选地，所述结构板为圆形，所述结构板采用金属制成，例如为不锈钢板。
本发明还提供一种上述涡旋发射器在产生相反拓扑荷的声涡旋中的用途，例如产生声学花瓣波束。
根据本发明的实施方案，产生基本如图1b、2b、3b、4a2、4b2所示的花瓣波束。
一种形成声学花瓣波束的方法，包括将平面声波穿过所述涡旋发射器。
根据本发明的实施方案，所述旋涡发射器位于液体介质或气体介质中，例如水或空气。
根据本发明的实施方案，所述声波为频率固定的声波，例如所述声波的频率为1MHz。
根据本发明的实施方案，所述方法得到的花瓣波束中，花瓣数例如为8、10、12、14、16、18、20、22。
一种上述涡旋发射器在操控粒子、编码和解码中的用途。
有益效果
本发明中，当入射声波通过耦合声涡旋发射器时，产生两个具有相反拓扑荷的涡旋声场，并且两个涡旋声场间相互作用形成声学花瓣波束；通过调整发射器上圆孔的径向坐标、方位角坐标以及相邻圆孔间的间隔角，可以实现具有不同轨道角动量模式的花瓣波束，相邻圆孔间的间隔角定义为π/M；花瓣波束的结构也可以根据不同的入射声波频率进行任意调整。
本发明是一种被动的无源结构，在结构上的所有圆孔是完全简并的，本发明的发射器加工过程简单，可以广泛应用于声学通信和粒子操控等方面。
附图说明
图1a为实施例1中发射器的结构示意图；图1b为实施例1产生的花瓣数为24的声学花瓣波束的仿真声场强度图；图1c为实施例1中的花瓣波束在x-y平面的仿真声场相位图，其中所有圆孔分布在阿基米德螺线上；
图2a为实施例2中发射器的结构示意图；图2b为实施例2产生的花瓣数为24的声学花瓣波束的仿真声场强度图；图2c为实施例2中的花瓣波束在x-y平面的仿真声场相位图，其中所有圆孔分布在费马螺线上；
图3a为实施例3中发射器的结构示意图；图3b为实施例2产生的花瓣数为24的声学花瓣波束的仿真声场强度图；图3c为实施例3中的花瓣波束在x-y平面的仿真声场相位图，其中所有圆孔分布在菲涅尔螺线上；
图4a1和图4b1为实施例4中螺旋线分别为13、14的发射器的结构示意图；图4a2和图4b2为实施例4产生的花瓣数为26和28的声学花瓣波束的仿真声场强度图；图4a3和图4b3为实施例4中的花瓣波束在x-y平面的仿真声场相位图，其中所有圆孔分布在菲涅尔螺线上；
图5a为应用例1中发射器的实物图；图5b为操控装置的结构示意图，图5c为花瓣数为8的声学聚焦花瓣波束对直径为1.5mm的聚苯乙烯微粒进行移动的效果图；
图6a为应用例2利用8种声学花瓣波束对字母“SOUND”编码后的仿真复合声场图；图6b为对字母“SOUND”的解码结果图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的结构做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
实施例1
如图1所示，在结构板上开设12条阿基米德螺旋线，且每一条螺旋线的扭转次数均设置为3，即S＝3，每条螺旋线上的圆孔数目为72。
位于逆时针旋转的阿基米德螺线上的圆孔的位置方程为
Figure BDA0003543816650000091
和
Figure BDA0003543816650000092
此时m1的取值是从1到12的正整数，n1的取值是从1到72的正整数。
同时，由于本实施例结构板上的圆孔具有的特殊简并性，上述圆孔同时位于12条顺时针旋转的阿基米德螺线上，位于顺时针旋转的阿基米德螺线上的圆孔的位置方程为
Figure BDA0003543816650000093
和
Figure BDA0003543816650000094
此时m2的取值是从1到12的正整数，n2的取值是从1到72的正整数。
位于逆时针旋转的阿基米德螺线上的圆孔和位于顺时针旋转的阿基米德螺线上的圆孔是完全简并的。
当平面声波穿过本实施例的结构板时，两个相反拓扑荷的声涡旋可以同时产生，因此由于两个相反拓扑荷的声涡旋相互耦合产生了花瓣数为24的声学花瓣波束。本实施例中，圆孔的直径a＝1mm，r0＝10λ,S＝3，具体实现时，可以但不限于上述圆孔的参数(以下各实施例同)。
实施例2
如图2所示，在结构板上开设12条费马螺旋线，且每一条螺旋线的扭转次数均设置为3，即S＝3，每条螺旋线上的圆孔数目为72。
位于逆时针旋转的费马螺线上的圆孔的位置方程为
Figure BDA0003543816650000101
和
Figure BDA0003543816650000102
此时m1的取值是从1到12的正整数，n1的取值是从1到72的正整数。同时，由于本实施例结构板上的圆孔具有的特殊简并性，上述圆孔同时位于12条顺时针旋转的费马螺线上。
位于顺时针旋转的费马螺线上的圆孔的位置方程为
Figure BDA0003543816650000103
和
Figure BDA0003543816650000104
此时m2的取值是从1到12的正整数，n2的取值是从1到72的正整数。位于逆时针旋转的费马螺线上的圆孔和位于顺时针旋转的费马螺线上的圆孔是完全简并的。
当平面声波穿过本发明的结构板时，两个相反拓扑荷的声涡旋可以同时产生，因此由于两个相反拓扑荷的声涡旋相互耦合产生了花瓣数为24的声学花瓣波束，本实施例中，固定圆孔的直径a＝1mm，r0＝10λ,F＝7λ，S＝3，具体实现时，可以但不限于上述圆孔的参数(以下各实施例同)。
实施例3
如图3所示，在结构板上开设12条菲涅尔螺旋线，且每一条螺旋线的扭转次数均设置为3，即S＝3，每条螺旋线上的圆孔数目为72。
位于逆时针旋转的菲涅尔螺线上的圆孔的位置方程为
Figure BDA0003543816650000111
和
Figure BDA0003543816650000112
此时m1的取值是从1到12的正整数，n1的取值是从1到72的正整数。同时，由于本实施例的结构板具有的特殊简并性，上述圆孔同时位于12条顺时针旋转的菲涅尔螺线上。
位于顺时针旋转的菲涅尔螺线上的圆孔的位置方程为
Figure BDA0003543816650000113
和
Figure BDA0003543816650000114
此时，m2的取值是从1到12的正整数，n2的取值是从1到72的正整数。
当平面声波穿过本实施例的结构板时，两个相反拓扑荷的声涡旋可以同时产生，因此由于两个相反拓扑荷的声涡旋相互耦合产生了花瓣数为24的声学花瓣波束，具体实现时，本实施例中，圆孔的直径a＝1mm，F＝7λ,S＝3，具体实现时，可以但不限于上述圆孔的参数(以下各实施例同)。
实施例4
如图4所示，在结构板上分别开设13、14条菲涅尔螺旋线，且每一条螺旋线的扭转次数均设置为3，因此13条螺旋线上的圆孔数目为78，17条螺旋线上的圆孔数目为84。
位于逆时针旋转的菲涅尔螺线上的圆孔的位置方程为
Figure BDA0003543816650000121
和
Figure BDA0003543816650000122
其中此时M分别为13和14。同时，由于本实施例结构板具有的特殊简并性，上述圆孔同时位于顺时针旋转的菲涅尔螺线上。
位于顺时针旋转的菲涅尔螺线上的圆孔的位置方程为
Figure BDA0003543816650000123
和
Figure BDA0003543816650000124
具体实现时，本实施例中，圆孔直径a＝1mm，F＝7λ,S＝3，具体实现时，可以但不限于上述圆孔的参数(以下各实施例同)。
应用例1
如图5所示，是利用产生花瓣数为8的耦合声涡旋发射器对直径为1.5mm的聚苯乙烯微球操控的结果图，当平面声波入射到图5a所示的耦合声涡旋发射器上时，放置在花瓣声束中心附近的聚苯乙烯微粒能够被捕获到中心位置。并且当按照正方形路径移动耦合声涡旋发射器时，聚苯乙烯微粒也按照正方形路径移动。实验结果证明基于8瓣的花瓣声束操控直径为1.5mm聚苯乙烯微球是可以实现的。
应用例2
如图6所示，我们进一步研究了花瓣数为8、10、12、14、16、18、20和22的声学花瓣波束在声通信方面的应用。结果表明，8种花瓣波束可以作为8个正交基元，能够很好的应用于编码、解码信息。
例如，利用上述8种花瓣波束，不同的信息可以被编码为不同的复合声场，且可以利用8个正交基元间的正交性实现对信息的解码，此时发射器上的圆孔分布在阿基米德螺线上。
测试例
对图1至图6的发射器进行有限元仿真，背景介质设定为水，入射声波的频率固定为1MHz，结构板的材料设为不锈钢。在强度分布出现花瓣状的亮点，并且相应的相位分布也分裂成与花瓣数相同的区域，且相邻区域的相位变化为π。说明本发明提出的耦合声涡旋发射器能够很好地调制入射声波从而产生不同花瓣数的声学花瓣波束。
此外，本发明提出的耦合声涡旋发射器在背景介质为空气的条件下也可以实现声学花瓣波束。
本发明各实施例的耦合声涡旋发射器是一种圆柱形结构，可以根据实际入射平面声波对结构参数进行相应的修改，并且该发射器的厚度对结果的影响非常小，当换能器发射的平面声波通过该耦合声涡旋发射器时，透射声场将产生花瓣声束；本发明是一种被动的无源人工结构，且在结构上的所有圆孔是完全简并的。本结构可实际加工，并且加工过程简单，可以广泛应用于声学通信和粒子操控等方面。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耦合声涡旋发射器，包括结构板，其特征在于，所述结构板上设置有若干按螺线分布的圆孔，若干所述圆孔的排布既位于一组逆时针旋转的螺线上，同时也位于一组顺时针旋转的螺线上。
2.根据权利要求1所述的耦合声涡旋发射器，其特征在于，所述圆孔不连续地分布在螺线上，代替连续分布的螺缝。
优选地，所述圆孔排布在M条逆时针旋转的螺线上，同时排布在M条顺时针旋转的螺线上，所述M为正整数。
优选地，位于M条逆时针旋转的螺线上的圆孔与位于M条顺时针旋转的螺线上的圆孔完全重合。
优选地，每条螺线上的圆孔数量为N，所述N为正整数，例如所述N为2SM，其中，S为螺线的扭转次数。
优选地，每条螺线上相邻圆孔的角间隔为π/M。
优选地，所述圆孔的直径为0.1-1.6mm。
3.根据权利要求1所述的耦合声涡旋发射器，其特征在于，所述圆孔按阿基米德螺线、费马螺线或者菲涅尔螺线排布。
优选地，所述圆孔按阿基米德螺线排布，例如，所述圆孔按M条逆时针旋转的阿基米德螺线排布和/或M条顺时针旋转的阿基米德螺线排布。
优选地，逆时针旋转的阿基米德螺线的曲线方程为
Figure FDA0003543816640000011
其中，θ的取值范围为0≤θ≤2πS，S为当前螺线的扭转次数，S为大于等于1的正整数，λ是入射平面声波波长，M是阿基米德螺线的条数。
优选地，顺时针旋转的阿基米德螺线的曲线方程为
Figure FDA0003543816640000012
其中，θ的取值范围为-2πS≤θ≤0，S为当前螺线的扭转次数，S为大于等于1的正整数，λ是入射平面声波波长，M是阿基米德螺线的条数。
4.根据权利要求1所述的耦合声涡旋发射器，其特征在于，所述M条逆时针旋转的阿基米德螺线中，位于第
Figure FDA0003543816640000021
根逆时针旋转的阿基米德螺线上的第
Figure FDA0003543816640000022
个圆孔的位置为：
Figure FDA0003543816640000023
其中，λ是入射平面声波波长，r0是螺旋线的初始半径，S是当前螺旋线的扭转次数，S为大于等于1的正整数。
优选地，当平面声波入射到所述M条逆时针旋转的阿基米德螺线后，一个拓扑荷为M的涡旋声场可以被产生。
优选地，位于第1根逆时针旋转的阿基米德螺线上的第
Figure FDA0003543816640000024
个圆孔的极坐标方程为
Figure FDA0003543816640000025
和
Figure FDA0003543816640000026
其中，r0是阿基米德螺旋线的初始半径，λ是入射声平面声波波长，S是当前螺旋线的扭转次数，N是当前螺线上圆孔的数目，n1的取值是从1到N的正整数。
优选地，位于同一逆时针旋转的阿基米德螺线的其他圆孔，可以由第1根逆时针旋转的阿基米德螺线上的圆孔旋转2π/M,...,(M-1)2π/M得到。
5.根据权利要求1所述的耦合声涡旋发射器，其特征在于，所述M条顺时针分布的阿基米德螺线中，位于第
Figure FDA0003543816640000027
根顺时针旋转阿基米德螺线上的第
Figure FDA0003543816640000028
个圆孔的位置可以表示为
Figure FDA0003543816640000031
其中，λ是入射平面声波波长，r0是螺旋线的初始半径，S是当前螺旋线的扭转次数，S为大于等于1的正整数。
优选地，当平面声波入射到所述M条顺时针旋转的阿基米德螺线后，一个拓扑荷为-M的涡旋声场可以被产生。
优选地，位于第1根顺时针旋转的阿基米德螺线上的第
Figure FDA0003543816640000032
个圆孔的极坐标方程为
Figure FDA0003543816640000033
和
Figure FDA0003543816640000034
其中，r0是阿基米德螺旋线的初始半径，λ是入射声平面波的波长，S是当前螺旋线的扭转次数，N是当前螺线上圆孔的数目，n1的取值是从1到N的正整数。
6.根据权利要求1所述的耦合声涡旋发射器，其特征在于，所述发射器上圆孔按费马螺线排布，所述圆孔按M条逆时针旋转的费马螺线排布和/或按M条顺时针旋转的费马螺线排布。
优选地，所述M条逆时针旋转的费马螺线中，位于第
Figure FDA0003543816640000035
根逆时针旋转的费马螺线的第
Figure FDA0003543816640000036
个圆孔的位置可以表示为：
Figure FDA0003543816640000037
其中，λ是入射平面声波波长，r0是螺旋线的初始半径，S是当前螺旋线的扭转次数。
优选地，当平面声波入射到所述M条逆时针旋转的费马螺线后，一个拓扑荷为M的涡旋声场可以被产生。
优选地，位于第1根逆时针旋转的费马螺线上的第
Figure FDA0003543816640000041
个圆孔的极坐标方程为
Figure FDA0003543816640000042
和
Figure FDA0003543816640000043
其中，r0是费马螺旋线的初始半径，λ是入射声平面声波波长，S是单前螺旋线的扭转次数，F是预设的焦距,N是当前螺线上圆孔的数目，n1的取值是从1到N的正整数。
7.根据权利要求1所述的耦合声涡旋发射器，其特征在于，所述M条顺时针旋转的费马螺线中，位于第
Figure FDA0003543816640000044
根顺时针旋转的费马螺线上的第
Figure FDA0003543816640000045
个圆孔的位置可以表示为：
Figure FDA0003543816640000046
优选地，当平面声波入射到所述M条顺时针旋转的费马螺线后，一个拓扑荷为-M的涡旋声场可以被产生。
优选地，位于第1根顺时针旋转的费马螺线上的第
Figure FDA0003543816640000047
个圆孔的极坐标方程为
Figure FDA0003543816640000048
和
Figure FDA0003543816640000049
其中r0是费马螺旋线的初始半径，λ是入射平面声波的波长，S是当前螺旋线的扭转次数，F是预设的焦距,N是当前螺线上圆孔的数目，n1的取值是从1到N的正整数。
8.根据权利要求1所述的耦合声涡旋发射器，其特征在于，所述圆孔按照菲涅尔螺线排布，所述圆孔按M条逆时针旋转的菲涅尔螺线排布和/或按M条顺时针旋转的菲涅尔螺线排布。
优选地，所述M条逆时针旋转的菲涅尔螺线中，位于第
Figure FDA00035438166400000410
根逆时针旋转的菲涅尔螺线上的第
Figure FDA00035438166400000411
个圆孔的位置可以表示为：
Figure FDA0003543816640000051
其中，λ是入射平面声波的波长，
Figure FDA0003543816640000052
是菲涅尔螺旋线的初始半径，F是设定的焦距，S是当前螺旋线的扭转次数，N是当前螺线上圆孔的数目，m1的取值是从1到M的正整数，n1的取值是从1到N的正整数。
优选地，当平面声波入射到M条逆时针旋转的菲涅尔螺线后，一个拓扑荷为M的聚焦声涡旋声场可以被产生。
优选地，所述M条顺时针旋转的菲涅尔螺线中，位于第
Figure FDA0003543816640000053
根顺时针旋转的菲涅尔螺线上的第
Figure FDA0003543816640000054
个圆孔的位置可以表示为：
Figure FDA0003543816640000055
其中，其中r0是菲涅尔螺旋线的初始半径，λ是入射声平面波的波长，F是预设的焦距，S是当前螺旋线的扭转次数，N是当前螺线上圆孔的数目，m2的取值是从1到M的正整数，n2的取值是从1到N的正整数。
优选地，当平面声波入射到所述M条顺时针旋转的菲涅尔螺线后，一个拓扑荷为-M的聚焦声涡旋声场可以被产生。
9.一种权利要求1-8任一项所述涡旋发射器在产生相反拓扑荷的声涡旋中的用途，例如产生声学花瓣波束。
10.一种形成声学花瓣波束的方法，包括将平面声波穿过所述涡旋发射器。
优选地，所述涡旋发射器位于液体介质或气体介质中。
优选地，所述声波为频率固定的声波。
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