本發(fā)明涉及聲高階模場激發(fā)及調控
技術領域：
。具體涉及一種基模激發(fā)高階模場并可對模場頻率進行調節(jié)的一種波導高階模式轉換器。
背景技術：
：非接觸的粒子捕獲在生物，物理化學，生物化學及光學等領域中有著重要的應用。光鑷是其中發(fā)展較為成熟的一項技術，它可以用貝塞爾光束來捕獲微粒、細胞并將其分開，實現粒子分揀歸類的作用。但是光鑷的應用也有一些限制，高能量的激光會對細胞造成一定傷害，由于光波長的緣故所能捕獲的粒子大小小于10um，所以光鑷經常用于透明物質或非透明物質的淺色區(qū)域。聲鑷對于粒子操控來說是另外一種選擇，超聲波具有很強的能量且能提供很大的聲場范圍，因此聲鑷可以操控更大量級的粒子。在2011年，YoungkiChoe在AppliedPhysicsLetters上發(fā)表文章(MicroparticletrappinginanultrasonicBesselbeam)在超聲換能器上布置多交點的菲涅爾透鏡得到聲貝塞爾光束，產生一個負軸向輻射場用以捕獲粒子，捕獲的油滴直徑在50-200um，微粒直徑在70-90um。2013年，Charles在AppliedPhysicsLetters上發(fā)表文章(DexterousmanipulationofmicroparticlesusingBessel-functionacousticpressurefields)提出了一種用貝塞爾聲場捕獲和操控微粒，在16個超聲換能器組成的陣列腔內產生貝塞爾聲場并可通過改變正弦信號的相位來移動貝塞爾聲場的位置。在專利方面，有許多產生聲場及控制的方法。2012年，松下電器在申請的專利(聲場控制裝置及聲場控制方法)中描述了一種控制聲場的裝置，通過校正濾波器預先設置的控制特性進行信號處理并輸出到第一揚聲器，控制特性被預先設定為根據第一揚聲器的再生聲音，使來自第二揚聲器的再生聲音在第一控制位置降低的第一控制特性。2015年，諾威托系統(tǒng)公司在申請的專利(用于生成聲場的方法和系統(tǒng))中提出了一種在制定空間位置處生成局部可聽聲場的系統(tǒng)和方法。2014年，柳川博文在申請專利(聲場調整濾波器及聲場調整裝置以及聲場調整方法)提出了一種能夠通過調整聆聽者兩耳間關系系數來提供適合聆聽者喜好的良好的聲場。技術實現要素：本發(fā)明的目的在于提一種波導高階模式轉換器。本發(fā)明的目的是這樣實現的：一種波導高階模式轉換器，包括圓柱狀金屬聲波導，一種為基于布拉格共振的布拉格波導A，一種為基于非布拉格共振的非布拉格波導B，兩波導通過法蘭環(huán)相連接，禁帶間的相互作用在禁帶中出現一個透射峰，產生一個沿半徑分布的高階模場，完成聲波由基模到高階模的轉換。兩波導周期個數均為5；兩種波導的周期結構單元，每個周期起伏的變化是指管內壁由相鄰凹凸環(huán)狀的起伏結構構成，凸環(huán)稱之為細管，凹環(huán)為粗管，每個周期的細管粗管長度相同為周期長度Λ的一半，周期起伏參數ε＝0.1R，細管內徑為R-ε，粗管內徑為R+ε，R為平均半徑。兩種共振的中心頻率相同，得到兩種波導的周期長度的關系：Λ2＝3/2Λ1及平均半徑的關系：為組裝示意圖，布拉格波導A和非布拉格波導B通過法蘭環(huán)C連接，基模從布拉格波導入射。變截面波導管壁材料為剛性材料，材料厚度5毫米，波導內部為空氣，沒有任何填充材料。本發(fā)明的有益效果在于：一種新型的模式轉換原理，高階模場頻率可調，可方便的兼容大部分阻性的聲波應用可工作在所有的可聽聲頻段。材料容易獲取，結構簡單，易于制備。調整布拉格波導和非布拉格波導的中心頻率，可調整聲高階模場的頻率。高階模場的能量大小可由入射基?？刂疲肷洳ǖ膹姸葲Q定高階模場的強度。附圖說明圖1為波導組裝圖。圖2為布拉格波導周期單元示意圖。圖3為非布拉格波導周期單元示意圖。圖4為布拉格波導及非布拉格波導色散曲線。圖5不同中心頻率下的高階模場頻率及擬合曲線。圖6為高階模場沿徑向聲壓分布。具體實施方式下面根據附圖對本發(fā)明具體實施案例進行詳細的描述。圖1為波導組裝圖(solidworks繪制)?；牟祭癫▽肷?，在第一個非布拉格波導周期內產生一個沿徑向分布的高階模場。布拉格波導(A)及非布拉格波導(B)皆有五個周期，兩者通過法蘭環(huán)(C)連接。箭頭表示聲波入射方向。A為布拉格波導B為非布拉格波導C為法蘭環(huán)圖2為布拉格波導周期單元示意圖；Λ1為布拉格波導的周期長度R1為布拉格波導的平均內徑ε為周期起伏參數，取ε＝0.1R圖3為非布拉格波導周期單元示意圖；Λ2為非布拉格波導的周期長度R2為非布拉格波導平均內徑ε為周期起伏參數，取ε＝0.1R圖4為布拉格波導及非布拉格波導色散曲線。如圖所示，兩波導的中心頻率皆為2500Hz，陰影處為禁帶所在范圍。布拉格共振為相同橫向模式之間的相互作用，非布拉格共振為不同橫向模式之間的相互作用。圖5不同中心頻率下的高階模場頻率及擬合曲線。如圖所示，橫軸為布拉格波導和非布拉格波導的中心頻率，縱軸為高階模場頻率，黑色三角代表在不同波導中心頻率下的高階模場頻率，紅色線為擬合曲線，擬合結果為F＝1.028*L-7.048，f為布拉格波導及非布拉格波導中心頻率，F為高階模場頻率，高階模場隨著中心頻率的增大而增大。圖6為高階模場沿徑向聲壓分布。如圖所示，藍色線為高階模場沿徑向的聲壓分布，紅色線為貝塞爾函數擬合結果。a0＝0.103634，a1＝0.8821，a2＝0.01195，a3＝0.002316(a0，a1，a2，a3分別對應基模，一階模，二階模，三階模)。擬合結果說明高階模場含有少量的基模，大量的一階模及更為少量的二階模和三階模。通過兩種波導禁帶間的相互作用，實現了由基模到高階模的轉換。入射聲源為基模。聲鑷捕獲微觀粒子相對于光鑷來說有一些優(yōu)勢，它的相關技術正逐步完善。聲模場波長和微觀粒子尺寸之間的比值會影響微粒的聚集程度，而且在聲鑷的微粒操控中駐波的效果優(yōu)于行波，它能產生更強的輻射場，有更多的應用，如微觀粒子濾波，粒子分揀等。本發(fā)明產生的高階模場，包含少量基模，大量的一階模和，更為少量的二階模和三階模，且模場的頻率和振幅可調諧。見說明書附圖1為波導組裝圖。整體結構由一布拉格波導(A)和一非布拉格波導(B)通過法蘭環(huán)(C)連接，兩波導是圓柱狀金屬波導，周期個數各為五個。見說明書附圖2和3為兩種波導的周期結構單元，每個周期起伏的變化是指管內壁由相鄰凹凸環(huán)狀的起伏結構構成，凸環(huán)稱之為細管，凹環(huán)為粗管，每個周期的細管粗管長度相同為周期長度Λ的一半，周期起伏參數ε＝0.1R，細管內徑為R-ε，粗管內徑為R+ε，R為平均半徑。整個波導可使用數控車床加工，一體成型。布拉格和非布拉格共振的中心頻率相同，根據色散曲線可以得到兩種波導的周期長度的關系：Λ2＝3/2Λ1及平均半徑的關系：見說明書附圖2，陰影處發(fā)生一階布拉格共振，在陰影處發(fā)生一階非布拉格共振。首先設定模式轉換器的工作頻率，根據工作頻率可以求得周期長度Λ；根據一階模的零點可以求得平均半徑R，這樣可以得到布拉格波導和非布拉格波導的參數，見說明書附圖1，布拉格波導一側粗管與非布拉格波導一側細管通過法蘭環(huán)相連接。此種波導內產生高階聲場的方法基于布拉格共振和非布拉格共振，它們具有不同的共振機理。當工作頻率小于一階模的截止頻率時，高階模沒有激發(fā)，在波導內只存在基模，設定這時基模的縱向波數為k,由于周期起伏結構的反射在入射基模相反方向上產生一個縱向波數為-k的基模。當這兩個波數的絕對值的和等于波導的波數的時候就會發(fā)生布拉格共振，是基模之間的相互作用。當，工作頻率大于一階模的截止頻率時，這時候產生了一個一階模，非布拉格共振就產生了。當頻率繼續(xù)升高，此時波導的作用就不是很明顯，但模式之間的正交性已被破壞，多種的模式依然會出現。與布拉格共振一樣，非布拉格共振同樣會導致譜帶分裂，形成頻域禁帶，它們所形成的禁帶特性也不盡相同。見說明書附圖4為布拉格波導及非布拉格波導色散曲線。如圖給出了周期波導中第一布里淵區(qū)內模式的色散曲線(點線)，實線為參考線l(p,n)，代表第n階空間諧波的第p個模式。左半部分陰影區(qū)域表示布拉格禁帶，為相同橫向模式間的共振相互作用，使得頻譜分裂，在2500Hz附近產生布拉格禁帶；右半部分陰影區(qū)域表示非布拉格禁帶，為不同橫向模式間的共振相互作用，也使得頻譜分裂，在2500Hz附近產生非布拉格禁帶。很顯然，布拉格共振和非布拉格共振都發(fā)生在參考線l(p,n)的交點處。當入射波頻率靠近共振處時，由于在參考線交點處頻帶分裂產生禁帶，相關頻率范圍內電磁波不能在波導中傳播?？偟膩碚f，多模波導中不同橫向模式色散曲線的重疊，會引發(fā)復雜的共振相互作用。根據色散曲線，我們可以通過控制具有周期結構波導的可調參數來改變這種通帶-禁帶的范圍和位置，從而實現對其中傳播模式的控制。當布拉格波導和非布拉格波導相連接時，在禁帶中產生一個透射峰，觀察此峰值頻率下的聲壓分布，可以發(fā)現在靠近兩個波導的連接處的第一個非布拉格波導周期內產生一個沿半徑分布的高階模場?；Ｍㄟ^布拉格波導，由于波導的損耗會消耗一部分能量，當能量到達連接處，能量在第一個非布拉格波導周期內積累，形成局域模式，在能量積累的地方產生一個穩(wěn)定高階模場。非布拉格波導對高階模有著衰減作用，出口處高階模衰減到最小。這樣就可以得到一個純凈的高階模場。如上所述基于布拉格共振和非布拉格共振的周期變截面起伏波導結構參數共振機理給出，色散曲線如下式：其中，c為聲速，f為透射譜的中心頻率，p為第p階橫向模式，為第p階Bessel函數的零點，R是周期變截面波導的平均內徑，Λ是波導的周期長度，β是傳播常數，n是Bragg共振的階數，n的取值為0,1,2,3….：見說明書附圖2，布拉格禁帶的頻帶寬度寬于非布拉格禁帶。如圖2設定中心頻率f＝2500Hz，此時布拉格周期變截面中空圓柱形波導的平均半徑R1＝41.85mm，波導周期長度Λ1＝68.6mm，波導周期起伏參數ε＝0.1R，即細管半徑為37.665mm，粗管半徑為46mm。此時非布拉格周期變截面中空圓柱形波導的平均半徑R2＝88.76mm，波導周期長度Λ2＝102.9mm，波導周期起伏參數ε＝0.1R，即細管半徑為79.884mm，粗管半徑為97.636mm。如附圖1，布拉格波導(A)及非布拉格波導(B)皆有五個周期，將兩波導通過法蘭環(huán)(C)連接，在第一個非布拉格波導周期內得到F＝2563Hz的高階模場。為了研究高級模場頻率和中心頻率的關系，取不同的中心頻率，對應的高階模頻率如表1.表1不同波導中心頻率下高階模場頻率中心頻率頻率f(Hz)高階模頻率F(Hz)250025632600266527002767280028702900297330003077見附圖3為不同中心頻率下的高階模場頻率及擬合曲線，根據擬合曲線可以得到中心頻率與高階模場頻率的關系。見附圖4為高階模場沿徑向聲壓分布。擬合結果說明高階模場由少量基模，大量的一階模及更為少量的二階模和三階模。通過兩種波導禁帶間的相互作用，實現了由基模到高階模的轉換。當前第1頁1 2 3