[發明專利]一種超模式數的合成渦旋聲場產生方法及裝置

有效

• 申請號: 202110065122.9
• 申請日: 2021-01-18
• 公開（公告）號: CN112911464B
• 公開（公告）日: 2021-10-19
• 發明（設計）人: 蔣海波;何欣洋;宮玉彬;唐聃;楊陽;陳子君;付江南;高源
• 申請（專利權）人: 中國科學院成都生物研究所;電子科技大學
• 主分類號: H04R1/40
• 分類號: H04R1/40;H04R3/00;H04B13/02
• 代理公司: 成都高遠知識產權代理事務所(普通合伙) 51222
• 代理人: 張娟;鄭勇力

本發明屬于聲波成像技術領域，具體涉及一種超模式數的合成渦旋聲場產生方法及裝置。本發明方法包括如下步驟：(1)構建由N個換能器單元構成的換能器陣列，每個換能器單元發射聲場，產生初始聲場；(2)同時改變換能器單元的位置以及每個換能器單元發射聲場的相位，每改變一次產生一個聲場，改變s次，產生s個聲場，其中，改變換能器單元位置的方式是整體旋轉換能器陣列；(3)將初始聲場與步驟(2)產生的s個聲場疊加，得到超模式數的合成渦旋聲場；其中N、s為大于0的整數，N*s不小于4。本申請產生旋渦聲場的方法及裝置用于水下通信或聲學成像，也能夠達到提高其信道容量和/或提高其分辨率的效果，具有很好的應用前景。

技術領域

本發明屬于聲波成像和水下通信技術領域，具體涉及一種超模式數的合成渦旋聲場產生方法及裝置。

背景技術

目前，對渦旋聲場的研究主要仍然停留在理論探索階段與前期實驗室試驗階段。由于聲波不存在偏振或自旋效應，因此漩渦聲場不具有自旋角動量，僅能夠攜帶軌道角動量。作為一個新的聲波操控的自由度，聲軌道角動量具有重要的科學意義和應用價值。從理論上講，利用聲軌道角動量的復用技術，可以提高水下聲信號傳輸的信道容量，為水下高速通信保證極高的傳輸準確率。聲軌道角動量模式數(下文簡稱模式數)的增加可以提高方位角分辨率，在工業、醫學等方面的無損檢測具有重要意義。

現有技術中，渦旋聲場(包括漩渦超聲場)通常是采用多個換能器單元排列成的換能器陣列(例如圓形陣列)產生。這種方法產生的渦旋聲場的模式數受到換能器陣列的換能器單元數量的限制，即，由N個單元構成的換能器陣列產生聲場的模式數小于N/2。因此，想要獲取更高模式數的渦旋聲場，只能增加換能器陣列的換能器單元數量。這將導致設備復雜程度提高，且為了提供容納更多換能器單元的空間，設備的體積也會增加，這不利于渦旋聲場的應用，那就意味著，在較小半徑平面內，無法構建較高模式數的渦旋聲場。而目前還缺少其他提高渦旋聲場軌道角動量模式數的相關研究。

發明內容

針對現有技術中缺少提高渦旋聲場的聲軌道角動量的模式數的相關研究的問題，本發明提供一種超模式數的合成渦旋聲場產生方法及裝置，其目的在于：利用有限個換能器單元，通過對陣列中每個換能器進行位置和相位調控，產生無限多模式數。

一種超模式數的合成渦旋聲場產生方法，

包括如下步驟：

(1)構建由N個換能器單元構成的換能器陣列，每個換能器單元發射聲場，產生初始聲場；

(2)同時改變換能器單元的位置以及每個換能器單元發射聲場的相位，每改變一次產生一個聲場，改變s次，產生s個聲場，其中，改變換能器單元位置的方式是整體旋轉換能器陣列；

(3)將步驟(1)產生的初始聲場與步驟(2)產生的s個聲場疊加，得到超模式數的合成渦旋聲場；

其中N、s為大于0的整數，N*s不小于4。

優選的，換能器陣列在旋轉前和旋轉后共同構成虛擬的合成換能器陣列，合成換能器陣列中的陣元個數為N_s，N_s＝(s+1)×N。

優選的，合成換能器陣列的陣元排列在一個圓環上或至少兩個圓環形成的同心圓環上，優選的，每個圓環上的陣元均勻排列。

優選的，所述合成換能器陣列的陣元排列在一個圓環上，合成換能器陣列中第m個陣元產生的聲場的相位為：其中1≤m≤N_s，m為整數，α′為所述合成渦旋聲場的模式數，

優選的，換能器陣列中，換能器單元排列在一個圓環上，所述換能器陣列繞一個通過所述圓環的圓心的旋轉軸旋轉；優選的，所述換能器陣列在圓環上均勻排列。

優選的，第n個換能器單元產生的具有初始相位的聲場的相位為：其中1≤n≤N，n為整數，α′為合成模式數，