论文摘要
声波作为一种常见的信息载体和能量载体,一直以来都是物理学研究的热点之一。在当今的信息化时代,声波在人类社会发展的各种领域,比如信息通讯、医学成像、军事武器、电子产品等,都体现着重要的应用价值。声涡旋作为一种特殊的声波传输形式,其沿着传播方向的中心轴声场强处处为零(一般称这个中心点为相位奇异点),而相位则关于该零场强中心在幅角上呈现螺旋形变化。此外,声涡旋所形成的涡旋场具有轨道角动量,当我们将其作用到一个微小物体上,涡旋态的声波会对物体施加一个力矩,使之局域在相位奇异点的附近作旋转运动。利用这种特性,在医学应用方向,可以实现无接触式药物颗粒的定位和操控。常规的声波是一种纵波,没有横向振动模式。所以,如何将常规的声波经过人工调控变成涡旋态声波是本文所需要研究的课题。本文从声涡旋的研究历史背景入手,对近年来关于产生声涡旋的几种方法进行了简要的概述,同时比较总结了各类方法的优缺点。随后,我们提出了两种产生声涡旋的新方法,详细阐述其物理机理和设计方案,并使用仿真软件进行模拟仿真验证。以下为本文的主要创新点:(1)构造了一个基于环形波导的漏波天线结构产生声涡旋。该结构是在环形波导的上表面刻有均匀分布的圆形穿孔,声波沿着波导传播依次经过圆形穿孔时具有连续变化的波程差,从而导致从每个穿孔辐射出的声波具有连续变化的相位差,进而形成相位螺旋分布的声涡旋。该方法在几何构型上容易实现,并且产生的声涡旋阶数可调,我们只需要一个换能器就可以通过改变入射波的频率来产生不同声拓扑荷数的声涡旋,这样不仅克服了主动式相位系统的阵列复杂性,也避免了被动式对信号通道进行编码的繁琐步骤。同时,我们在此结构的基础上引入驻波效应,并结合声涡旋场在传播中心轴处形成一个零场强空间,给利用声波捕获粒子提供一个新的设计思路。(2)设计了一种亚波长尺寸的波导腔结构产生声涡旋。该结构具有可以将平面波在圆柱形波导管中传播的简并高阶波螺旋模式分离的特性。依据波导管中声波波导模式的函数特性,我们在腔壁上设计了环状渐变的锯齿结构,经过模拟分析计算,其锯齿结构可以把圆柱形波导管中产生的高阶简并模式进行偏差分离,分离后的高阶谐波模式本身就是一种涡旋态声波,这样一来,本该相互抵消的正转和反转的扭转力矩就可以被分离开,利用该扭转力矩即可实现对粒子的操控。该方法提供了一种更加简单的产生声涡旋的设计思路,并且由于结构尺寸处于亚波长范围,因此可以应用到高密度的集成系统中去。
论文目录
文章来源
类型: 硕士论文
作者: 陈心成
导师: 赵德刚
关键词: 声学涡旋,拓扑荷数,粒子操控,漏波天线,声超材料,换能器阵列,螺旋模式,本征模式
来源: 华中科技大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 物理学
单位: 华中科技大学
分类号: O42
DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000550
总页数: 55
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标签：声学涡旋论文; 拓扑荷数论文; 粒子操控论文; 漏波天线论文; 声超材料论文; 换能器阵列论文; 螺旋模式论文; 本征模式论文;