相控声涡旋的特性研究

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声在传播过程中由于相位的奇异性而发生螺旋状的扭转,出现中心位置声强为0的现象称之为声涡旋。声涡旋作为一种独特的声场,其相位沿圆周角均匀变化,使其具有特殊的螺旋波前,因此通过改变声源相位可以形成可控的声涡旋。近年来国外兴起对声涡旋力矩的研究以及利用轨道角动量的传递法对声涡旋进行操纵,该研究在微流控制技术和生物医学超声成像领域有着广阔的前景。  本论文针对前人研究中换能器数量和相位差固定的问题,利用圆周上均匀分布的N个换能器和可控相位差△ψ=2mπ/N,提出一种相位编码可控声涡旋技术,推导了声涡旋声压分布的理论公式,并数值模拟和实验测量。同时将固定声源数(N=4或8)和相位差(π/2和π/4)代入所推导的理论中,简化后的公式与KarenVolke-Sepulveda的理论结果一致,进一步证明本技术的普适性与通用性。  研究表明涡旋声场可近似为一个无限大障板中多个点源的声场叠加,声涡旋的形成与传播和声源数N,相位差△ψ,频率f,声源圆周半径a,声源相位参数m,轴向距离r等因素相关,所形成的涡旋声场呈环形分布,涡旋中心声压为零。较大的声源数N能够形成更为连续的圆形声压分布和趋于线性的涡旋圆周相位分布,同时声源信号频率越高,形成涡旋越小,能量越集中。圆周相位分布由声源相位差决定,当声源相位参数m为整数时,声源总相位差为π的整数倍,能形成声涡旋,其拓扑电荷l等于m或者N-m,其最大值为Fix[(N-1)/2],Fix表示向下取整。  本研究建立了相位编码六声源声涡旋实验系统,用FPGA输出具有相位差的六路方波信号,经有源二次低通滤波具有相位差△ψ的正弦波,经功率放大器后分别驱动六个扬声器形成声场,并在计算机LabVIEW程序控制下通过小型高精度麦克风测量声场的声压分布,获得不同声源数和相位差情况下的轴向和径向声压相位分布,其结果和数值模拟的结果基本一致,证明了相位编码可控声涡旋技术的可行性。  本论文为进一步研究高频声涡旋的角动量传递所产生的转动力矩来控制微小物体的运动提供了基础。声涡旋在声波定位,仪器校准和纳米粒子操控等领域具有广阔的应用前景。
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