[發明專利]一種具有避障操控功能的聚焦渦旋聲鑷操控系統及方法

在審

• 申請號: 202011361674.6
• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112562632A
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 郭各樸;浦仕府;馬青玉
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: G10K11/34
• 分類號: G10K11/34;A61N7/02;G08C23/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 周科技

1.一種具有避障操控功能的聚焦渦旋聲鑷操控方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)基于一維線型聲源的自彎曲無衍射波束特性，利用相關自彎曲波束函數的二元相位制設計一維槽型調制結構，產生具有圓弧傳播軌跡的非衍射自彎曲聲束；

(2)在一維槽型調制結構基礎上設置中空半徑R₀，并繞傳播軸旋轉形成中空的槽型相位調制盤，安裝到相同口徑的平面扇形活塞換能器環形陣列上，在沿徑向分布的線型聲源在該結構的相位調制下產生繞軸環形對稱分布的自彎曲聲束，其內部形成聲壓為零的中空避障空腔；

(3)通過相位編碼技術產生N個可調控相位差的信號，分別激勵環形分布的平面扇形換能器陣列，產生N個具有固定編碼相位的聲束，并經過槽型相位調制盤的自彎曲調制，形成一個具有圓弧軌跡的零聲壓避障空腔和一個拓撲荷可控的聚焦渦旋聲鑷；

(4)通過槽型相位調制盤的結構參數和中空半徑的調整，調控中空避障空腔大小和形狀即底部半徑和圓弧軌跡，聚焦渦旋聲鑷的尺寸和軸向距離，實現障礙物后的避障操控；

(5)通過拓撲荷來調控聚焦渦旋聲鑷的形狀和聲壓增益，進一步調節聲鑷的軸向和徑向聲輻射力和捕獲范圍，實現障礙物后的精確聚焦和物體的旋轉捕獲。

2.根據權利要求1所述的具有避障操控功能的聚焦渦旋聲鑷操控方法，其特征在于，所述步驟(1)中利用貝塞爾函數的二元相位制設計一維槽型調制結構，產生具有圓弧傳播軌跡的非衍射半貝塞爾波束；具有自彎曲傳播特性的半貝塞爾波束彎曲軌跡的曲率半徑為β/k，β是設定的半貝塞爾波束的階數，k為聲波的波數，調制結構的高度為：

其中angle[p(x,0)]為軸向傳播距離z＝0時一維線型聲源聲壓p(x,0)的二元相角0和π，p(x,0)是線型聲源的貝塞爾函數分布，f是聲波的頻率，c_s和c分別為相位調制盤的材料和周圍介質中的聲速。

3.根據權利要求1所述的具有避障操控功能的聚焦渦旋聲鑷操控方法，其特征在于，所述步驟(2)中通過一維調制結構繞傳播軸的旋轉形成具有中空半徑的槽型相位調制盤，調制環形分布的中空平面扇形換能器陣列產生具有圓弧軌跡的自彎曲半貝塞爾聲束，并實現傳播軸上形成聲聚焦。

4.根據權利要求1所述的具有避障操控功能的聚焦渦旋聲鑷操控方法，其特征在于：所述步驟(3)中通過相鄰聲源相位差為Δφ＝2πl/N的相控信號來激勵平面扇形換能器陣列，形成拓撲荷可控的聚焦渦旋聲鑷，其中l是聚焦渦旋聲鑷的拓撲荷，N表示N個扇區，其最大整數拓撲荷為±Fix[(N-1)/2]，其中Fix()為向零取整函數，其大小和正負決定渦旋聲鑷的旋轉操控半徑和方向。

5.根據權利要求1所述的具有避障操控功能的聚焦渦旋聲鑷操控方法，其特征在于，所述步驟(4)中通過槽型相位調制盤的中空半徑來調節聚焦渦旋中心的軸向距離，其公式為式中R₀是中空半徑，β是貝塞爾波束的階數，k為聲波的波數，β/k是圓弧軌跡的曲率半徑。

6.根據權利要求5所述的具有避障操控功能的聚焦渦旋聲鑷操控方法，其特征在于，所述槽型相位調制盤的中空半徑要滿足R₀≤β/k，且其有效聲源調制半徑需要R-R₀≥30mm。

7.基于權利要求1所述的方法實現的一種具有避障操控功能的聚焦渦旋聲鑷操控系統，其特征在于，包括計算機、有源相控驅動系統、平面扇形換能器陣列，槽型相位調制盤，水聽器，二維掃描控制器，步進電機、前置放大器，數字示波器；平面扇形換能器陣列與槽型相位調制盤口徑相同，并采用超聲耦合劑連接；

計算機通過WIFI模塊控制現場可編程門陣列輸出相位可控的方波信號，由低通濾波產生不同相位的正弦波，經過功率放大器放大構成有源相位驅動系統來激勵平面扇形換能器陣列，經過槽型相位調制盤后產生具有避障空腔的聚焦渦旋聲鑷；將水聽器固定在步進電機懸臂上，通過二維掃描控制器控制步進電機實現水聽器的二維運動，接收測量到的聲壓信號，水聽器接收到的信號經過前置放大后由數字示波器采集。

8.根據權利要求7所述的具有避障操控功能的聚焦渦旋聲鑷操控系統，其特征在于，所述扇形換能器陣列由環形分布的N個平面扇形換能器組成，其換能器的個數滿足N≥3。