阅读说明：本技术 一种声学聚焦分数涡旋场发射器 (Acoustic focusing fraction vortex field transmitter ) 是由 陈帝超 吴大建 贾雨柔 朱兴凤 魏琦 于 2020-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种声学聚焦分数涡旋场发射器,包括一个结构板,所述结构板上设置有按同中心轴方式设置的第一组螺线槽以及第二组螺线槽,第二组螺线槽位于第一组螺线槽的外围,且在第二组螺线槽距离中心轴最近的螺旋线与第一组螺线槽距离中心轴最远的螺旋线之间设置预设间距。本发明当入射超声波通过该声学聚焦分数涡旋场发射器时,透射声场将聚焦超声波产生分数涡旋场；在空间中对涡旋进行聚焦的同时,通过调整第一组阿基米德螺线槽以及第二组阿基米德螺线槽的数目,可以实现不同拓扑荷数的分数涡旋；本结构也可以依据不同的入射超声波长进行任意调制。本发明是一种被动的无源人工结构,仅依靠本身的结构就能对透射声场进行调制,应用广泛。(The invention discloses an acoustic focusing fractional vortex field transmitter, which comprises a structural plate, wherein a first group of spiral grooves and a second group of spiral grooves which are arranged in a concentric shaft mode are arranged on the structural plate, the second group of spiral grooves are positioned on the periphery of the first group of spiral grooves, and a preset distance is arranged between a spiral line of the second group of spiral grooves, which is closest to a central shaft, and a spiral line of the first group of spiral grooves, which is farthest from the central shaft. When incident ultrasonic waves pass through the acoustic focusing fractional vortex field transmitter, a transmission sound field transmits the focused ultrasonic waves to generate a fractional vortex field; while the vortex is focused in the space, fractional vortices with different topological charge numbers can be realized by adjusting the number of the first group of Archimedes spiral grooves and the second group of Archimedes spiral grooves; the structure can also be arbitrarily modulated according to different incident ultrasonic wavelengths. The passive artificial structure can modulate a transmission sound field only by the structure of the passive artificial structure, and is widely applied.)

一种声学聚焦分数涡旋场发射器

技术领域

本发明涉及一种声学聚焦分数涡旋场发射器，属于声学器件领域。

背景技术

分数涡旋场具有径向相位分布不连续性的特点，在过去十年中引起了越来越多的关注。一方面分数涡旋场其不对称中空涡旋光束中具有较强的声强区域，可以在一定方向上产生力，这非常有利于捕获和操纵粒子。另一方面其携带着轨道角动量并且能够将轨道角动量传递给吸收的物体，从而使物体发生旋转。在此基础上，声学聚焦分数涡旋场由于它可以提供更强的捕获力，更大的力矩和更深的渗透深度，使得它在实际应用中具有非常重要的价值。如何设计一种高效、简单、低成本的声学聚焦分数涡旋场发射器一直是相关研究领域的一个热点问题。

目前产生声学聚焦涡旋场的方式主要依赖于主动换能器阵列，通过电学手段控制每一个主动换能器的相位偏移，并且通过物理改变主动换能器的排布形状，使得它整体的相位满足分数涡旋场相位的要求同时它的弯曲弧面使得声波满足声波聚焦的要求，从而可以将整个换能器阵列看成一个聚焦分数涡旋场发射器。其所产生的总声场是所有主动换能器声场的叠加。

然而，依赖于主动换能器阵列产生的声学聚焦涡旋场也存在着自身的缺陷和不足。首先，为了产生声学聚焦涡旋场通常需要几十个几百个甚至上千个主动换能器，通过复杂的电路系统来控制每一个主动换能器的振幅和相位，巨大的设计成本和繁琐的操作流程极大的限制了它的应用与发展。其次，为了达到声学聚焦分数涡旋场的效果，换能器阵列通常要摆成一个弧面，这也限制了它在某些特殊场景中的应用(例如需要一个平面结构来实现声学聚焦分数涡旋场)。因此通过一个简单的人工结构对换能器发射的入射超声波进行调制从而产生不同拓扑荷数的聚焦声分数涡旋是非常有必要和重要的。

发明内容

本发明提供了一种可以产生声学聚焦分数涡旋场的发射器，声波通过在螺线槽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产生不同拓扑荷数的聚焦声分数涡旋场。

为了实现上述的目的，本发明的声学聚焦分数涡旋场发射器，包括了一个结构板，所述结构板上设置有同中心轴设置的第一组螺线槽以及第二组螺线槽，第二组螺线槽位于第一组螺线槽的***，且第二组螺线槽距离中心轴最近的螺旋线与第一组螺线槽距离中心轴最远的螺旋线之间设置预设间距。

优选地，所述结构板的声阻抗与背景媒质的声阻抗至少相差20倍以上。

优选地所述第一组螺线槽以及第二组螺线槽均包括一个螺线槽，第一组螺线槽的两根螺线r_I和r_II的方程分别为

和r_II(θ)＝r_I(θ)+d，第二组螺线槽的两根螺线r_III和r_IV的方程为

和r_IV(θ)＝r_III(θ)+d，其中d设置为第一组螺线槽以及第二组螺线槽的宽度，所述宽度小于入射波长，g设置为入射波长，r₀为第一组螺线槽的初始半径，r₁为第二组德螺线槽的初始半径，N为第一组螺线槽以及第二组螺线槽中两根螺线的圈数；m为拓扑荷数，在0到1之间任意取值；θ的取值从0到2π/m。

优选地，所述第一组螺线槽以及第二组螺线槽均包括2个螺线槽，其中，第一组螺线槽的第1个螺线槽的两根螺线r_I和r_II的方程分别为

和r_II(θ)＝r_I(θ)+d，此时θ的取值从0到2π/m；m为拓扑荷数，在1到2之间任意取值；r₀为第一组螺线槽的初始半径，第一组螺线槽的第2个螺线槽的两根螺线r_III和r_IV的方程分别为

和r_IV(θ)＝r_III(θ)+d，此时θ的取值从2π/m到2π，

第二组螺线槽的第1个螺线槽的两根螺线r′_I和r′_II的方程分别为和r′_II(θ)＝r′_I(θ)+d，此时θ的取值从0到2π/m；r₁为第二组螺线槽的初始半径，第二组螺线槽的第2个螺线槽的两根螺线r′_III和r′_IV的方程分别为

和r′_IV(θ)＝r′_III(θ)+d，此时θ的取值从0到2π/m；其中d设置为第一组螺线槽以及第二组螺线槽的宽度，所述宽度小于入射波长，N为第一组螺线槽以及第二组螺线槽的圈数，g设置为入射波长。

优选地，所述一组螺线槽以及第二组螺线槽均包括3个螺线槽，其中，第一组螺线槽的第M个螺线槽的两根螺线r_I和r_II的方程分别为

和r_II(θ)＝r_I(θ)+d，此时θ的取值从2(M-1)π/m到2Mπ/m，m为拓扑荷数，在2到3之间任意取值，r₀为第一组螺线槽的初始半径，M≤2，M为正整数；第一组螺线槽的第3个螺线槽的两根螺线r_III和r_IV的方程分别为和r_IV(θ)＝r_III(θ)+d，此时θ的取值从4π/m到2π；

第二组螺线槽的第M个螺线槽的两根螺线r′_I和r′_II的方程分别为

和r′_II(θ)＝r′_I(θ)+d，r₁为第二组螺线槽的初始半径；第二组螺线槽的3个螺线槽的两根螺线r′_III和r′_IV的方程分别为和r′_IV(θ)＝r′_III(θ)+d，其中d设置为第一组螺线槽以及第二组螺线槽的宽度，所述宽度小于入射波长，N为第一组螺线槽以及第二组螺线槽的圈数，g设置为入射波长。

优选地，所述一组螺线槽以及第二组螺线槽均包括4个螺线槽，其中，第一组螺线槽的第M个螺线槽的两根螺线r_I和r_II的方程分别为和r_II(θ)＝r_I(θ)+d，此时θ的取值从2(M-1)π/m到2Mπ/m，m为拓扑荷数，在3到4之间任意取值，r₀为第一组螺线槽的初始半径，M≤3，M为正整数；第一组螺线槽的第4个螺线槽的两根螺线r_III和r_IV的方程分别为

和r_IV(θ)＝r_III(θ)+d，此时θ的取值从6π/m到2π；

第二组螺线槽的第M个螺线槽的两根螺线r′_I和r′_II的方程分别为和r′_II(θ)＝r′_I(θ)+d，r₁为第二组螺线槽的初始半径，第二组螺线槽的4个螺线槽的两根螺线r′_III和r′_IV的方程分别为

和r′_IV(θ)＝r′_III(θ)+d，其中d设置为第一组螺线槽以及第二组螺线槽的宽度，所述宽度小于入射波长，N为第一组螺线槽以及第二组螺线槽的圈数，g设置为入射波长。

优选地，第一组螺线槽为阿基米德螺线槽。

优选地，第二组螺线槽为阿基米德螺线槽。

优选地，所述预设间距为半个入射波长。

本发明当入射超声波通过该聚焦涡旋场发射器时，透射声场将聚焦声波产生分数涡旋场；在空间中对涡旋进行聚焦的同时，通过调整第一组螺线槽以及第二组螺线槽的数目，可以实现不同拓扑荷数的分数涡旋；本声学聚焦分数涡旋场发射器也可以依据不同的入射超声波长进行任意调制。本发明是一种被动的无源人工结构，仅依靠本身的结构就能对透射声场进行调制，应用广泛。

附图说明

图1为本发明声学聚焦涡旋场发射器实施例在x-z平面的原理示意图，其中图1(a)为在x-y平面的原理示意图，图1(b)为侧面工作示意图；

图2为产生拓扑荷数为0.5的声学聚焦分数涡旋场发射器在x-y平面的设计示意图；

图3为产生拓扑荷数为1.25的声学聚焦分数涡旋场发射器在x-y平面的设计示意图；

图4为产生拓扑荷数为1.5的声学聚焦分数涡旋场发射器在x-y平面的设计示意图；

图5为产生拓扑荷数为1.75的声学聚焦分数涡旋场发射器在x-y平面的设计示意图；

图6为产生拓扑荷数为2.5的声学聚焦分数涡旋场发射器在x-y平面的设计示意图；

图7为产生拓扑荷数为3.5的声学聚焦分数涡旋场发射器在x-y平面的设计示意图；

图8为图2所示结构的声学聚焦分数涡旋场发射器在聚焦平面的仿真分布图，其中图8(a)为强度分布图，图8(b)为相位分布图；

图9为图3所示结构的声学聚焦分数涡旋场发射器在聚焦平面的仿真分布图，其中图9(a)为强度分布图，图9(b)为相位分布图；

图10为图4所示结构的声学聚焦分数涡旋场发射器在聚焦平面的仿真分布图，其中图10(a)为强度分布图，图10(b)为相位分布图；

图11为图5所示结构的声学聚焦分数涡旋场发射器在聚焦平面的仿真分布图，其中图11(a)为强度分布图，图11(b)为相位分布图；

图12为图6所示结构的声学聚焦分数涡旋场发射器在聚焦平面的仿真分布图，其中图12(a)为强度分布图，图12(b)为相位分布图；

图13为图7所示结构的声学聚焦分数涡旋场发射器在聚焦平面的仿真分布图，其中图13(a)为强度分布图，图13(b)为相位分布图；以及

图14(a)，图14(b)，图14(c)，和图14(d)分别为拓扑荷数为0.5，1.5，2.5，3.5的聚焦涡旋场在x-z平面上的强度分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，为本发明声学聚焦分数涡旋场发射器实施例的原理示意图，图1(a)中显示了声学聚焦分数涡旋场发射器在x-y平面的截面示意图，本实施例包括一个结构板，所述结构板上设置有同中心轴设置的第一组螺线槽，包括但不限于阿基米德螺线槽(图中用Part I表示)以及第二组阿基米德螺线槽(图中用Part II表示)，第二组螺线槽，包括但不限于阿基米德螺线槽位于第一组阿基米德螺线槽的***，且第二组阿基米德螺线槽距离中心轴最近的螺旋线与第一组阿基米德螺线槽距离中心轴最远的螺旋线间隔为半个入射波长。图1(a)中显示了声学聚焦分数涡旋场发射器侧面工作示意图，当声波沿z轴方向垂直入射到发射器，部分声波透过阿基米德螺线槽而另一部分则被结构板的硬表面所反射，透过每组阿基米德螺线槽的声波都会形成一个分数涡旋。当第二组阿基米德螺线槽位于第一组阿基米德螺线槽的***，且第二组阿基米德螺线槽距离中心轴最近的螺旋线与第一组阿基米德螺线槽距离中心轴最远的螺旋线之间的距离为预设间距，包括但不限于0.5个波长(图中用0.5g表示)时，两组阿基米德螺线槽之间的相位差应该为π。同时从两组阿基米德螺线槽到聚焦平面的路程差满足半个波长，因此透射声波透过两组阿基米德螺线槽总的相位差为2π。在这种情况下，透过两组阿基米德螺线槽的声分数涡旋将在聚焦面内发生强烈的建设性干涉，从而就实现了聚焦声分数涡旋。其中，当预设间距为半波长的整数倍时，产生的聚焦声分数涡旋最强，当预设间距为波长的整数倍时，不会产生的聚焦声分数涡旋，当预设间距为不为半波长和波长的整数倍时，可以产生聚焦声分数涡旋且聚焦位置会随预设间距的改动而发生移动。

如图2所示，在结构板上开设两组阿基米德螺线槽，每组阿基米德螺线槽上有一个螺线槽，其中第一组阿基米德螺线槽的两根螺线r_I和r_II的方程分别为

和r_II(θ)＝r_I(θ)+d，第二组阿基米德螺线槽的两根螺线r_III和r_IV的方程为和r_IV(θ)＝r_III(θ)+d。具体实现时，可以但不限于固定d＝0.5mm，N＝4,g＝1.5mm，r₀＝12mm，r₁＝18.75mm，θ的取值从0到2π/0.5。其中，内、外两根螺线和以与中心轴的距离远近来定义，内螺线相对于外螺线与中心轴的距离近(以下各实施例同)。

如图3所示，在结构板上开设两组阿基米德螺线槽，每组阿基米德螺线槽有两个螺线槽，第一组阿基米德螺线槽的第1个螺线槽的两根螺线r_I和r_II的方程分别为和r_II(θ)＝r_I(θ)+d,此时θ的取值从0到2π/1.25。第一组阿基米德螺线槽的第2个螺线槽的两根螺线r_III和r_IV的方程分别为

和r_IV(θ)＝r_III(θ)+d，此时θ的取值从2π/1.25到2π。第二组阿基米德螺线槽除了初始半径r₁与第一组阿基米德螺线槽r₀不同，其它与第一组阿基米德螺线槽有相同的形式。具体实现时，可以但不限于固定d＝0.5mm，N＝4,g＝1.5mm，r₀＝12mm，r₁＝18.75mm。其中，内、外两根螺线和以与中心轴的距离远近来定义，内螺线相对于外螺线与中心轴的距离近(以下各实施例同)。

如图4所示，在结构板上开设两组阿基米德螺线槽，每组阿基米德螺线槽有两个螺线槽，第一组阿基米德螺线槽的第1个螺线槽的两根螺线r_I和r_II的方程分别为和r_II(θ)＝r_I(θ)+d,此时θ的取值从0到2π/1.5。第一组阿基米德螺线槽的第2个螺线槽的两根螺线r_III和r_IV的方程分别为

和r_IV(θ)＝r_III(θ)+d，此时θ的取值从2π/1.5到2π。第二组阿基米德螺线槽除了初始半径r₁与第一组阿基米德螺线槽r₀不同，其它与第一组阿基米德螺线槽有相同的形式。具体实现时，可以但不限于固定d＝0.5mm，N＝4,g＝1.5mm，r₀＝12mm，r₁＝18.75mm。其中，内、外两根螺线和以与中心轴的距离远近来定义，内螺线相对于外螺线与中心轴的距离近(以下各实施例同)。

如图5所示，在结构板上开设两组阿基米德螺线槽，每组阿基米德螺线槽有两个螺线槽，第一组阿基米德螺线槽的第1个螺线槽的两根螺线r_I和r_II的方程分别为和r_II(θ)＝r_I(θ)+d,此时θ的取值从0到2π/1.75。第一组阿基米德螺线槽的第2个螺线槽的两根螺线r_III和r_IV的方程分别为

和r_IV(θ)＝r_III(θ)+d，此时θ的取值从2π/1.75到2π。第二组阿基米德螺线槽除了初始半径r₁与第一组阿基米德螺线槽r₀不同，其它与第一组阿基米德螺线槽有相同的形式。具体实现时，可以但不限于固定d＝0.5mm，N＝4,g＝1.5mm，r₀＝12mm，r₁＝18.75mm。其中，内、外两根螺线和以与中心轴的距离远近来定义，内螺线相对于外螺线与中心轴的距离近(以下各实施例同)。

如图6所示，在结构板上开设两组阿基米德螺线槽，每组阿基米德螺线槽有三个螺线槽，第一组阿基米德螺线槽的第M个螺线槽的两根螺线r_I和r_II的方程分别为

和r_II(θ)＝r_I(θ)+d，此时θ的取值从2(M-1)π/2.5到2Mπ/2.5，M≤2，M为正整数。第一组阿基米德螺线槽的第3个螺线槽的两根螺线r_III和r_IV的方程分别为

和r_IV(θ)＝r_III(θ)+d，此时θ的取值从4π/2.5到2π。第二组阿基米德螺线槽除了初始半径r₁与第一组阿基米德螺线槽r₀不同，其它与第一组阿基米德螺线槽有相同的形式。具体实现时，可以但不限于固定d＝0.5mm，N＝4,g＝1.5mm，r₀＝12mm，r₁＝18.75mm。其中，内、外两根螺线和以与中心轴的距离远近来定义，内螺线相对于外螺线与中心轴的距离近(以下各实施例同)。

如图7所示，在结构板上开设两组阿基米德螺线槽，每组阿基米德螺线槽有四个螺线槽，第一组阿基米德螺线槽的第M个螺线槽的两根螺线r_I和r_II的方程分别为

和r_II(θ)＝r_I(θ)+d，此时θ的取值从2(M-1)π/3.5到2Mπ/3.5，M≤3，M为正整数。第一组螺线槽的第4个螺线槽的两根螺线r_III和r_IV的方程分别为

和r_IV(θ)＝r_III(θ)+d，此时θ的取值从6π/3.5到2π。第二组阿基米德螺线槽除了初始半径r₁与第一组阿基米德螺线槽r₀不同，其它与第一组阿基米德螺线槽有相同的形式。具体实现时，可以但不限于固定d＝0.5mm，N＝4,g＝1.5mm，r₀＝12mm，r₁＝18.75mm。其中，内、外两根螺线和以与中心轴的距离远近来定义，内螺线相对于外螺线与中心轴的距离近(以下各实施例同)。

对图2至图7的四种发射器进行仿真，背景介质设定为水，入射超声波的频率固定为1MHz，结构板的材料系数设为不锈钢。如图8至图13所示，分别为相应的结构板在1MHz、在聚焦平面(比如但不限定距离出射面5.4个入射波长(λ)的平面)内，产生的具有拓扑荷数为0.5，1.25，1.5，1.75，2.5，3.5的聚焦声分数涡旋的强度分布图和相位分布图。高强度的声能量集中分布在一个不对称的圆环上并随着拓扑荷数的增大不对称圆环周长逐步增大。同时，相应的相位分布在一个圆周内出现的相位奇点偏移和变多的相位变化，这些声学的特征与相应的拓扑荷数的声学分数涡旋场的性质相吻合，说明图2-图7所示六种结构的声学聚焦分数涡旋场发射器能够很好地在聚焦平面内调制入射超声波从而产生聚焦分数涡旋场。

如图10所示，分别为相应的结构板在1MHz、在x-z平面内，产生的具有拓扑荷数为0.5，1.5，2.5，3.5的聚焦声分数涡旋的强度分布图。背景介质设定为水，入射声波的频率固定为1MHz，结构板的材料系数设为不锈钢。大部分的声能量集中在z方向有限长度的区域内并随着拓扑荷数的增大两个有限长度的区域会***成两个并且两个区域之间的距离会逐渐增大。这些声学的特征与相应的拓扑荷数的声学聚焦分数涡旋场的性质相吻合。这说明我们所设计的发射器能够在传播方向上调制入射超声波从而产生所要求的聚焦超声分数涡旋场。

本发明各实施例的声学聚焦涡旋场发射器是一种平面形结构，它在传播方向上的厚度对结果几乎没有影响，可应根据实际需求改变发射器的厚度，当换能器发射的入射超声波通过该声学分数涡旋场发射器时，透射声场将产生超声聚焦分数涡旋；在空间中对分数涡旋进行聚焦的同时，通过调整每组的阿基米德螺线槽的数目，可以实现不同拓扑荷数的聚焦声分数涡旋。本声学涡旋场发射器各实施例也可以依据不同的入射超声波长进行任意调制。本发明是一种被动的无源人工结构，仅依靠本身的结构就能对透射声场进行调制，进而通过在螺线槽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产生不同拓扑荷数的声分数涡旋场，应用范围广。

以上所述仅是本发明的优选实施方案，应当指出：对于技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进何润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。