Page 149 - 《应用声学》2022年第3期

第 41 卷 第 3 期 Vol. 41, No. 3
2022 年 5 月 Journal of Applied Acoustics May, 2022

⋄ 研究报告 ⋄

水声通信中基于均匀圆阵列的涡旋声波性能分析 ∗

徐 洁 1 李 晖 1,2† 周又玲 1† 王 萍 1 李 千 1

薛刘荀 1 石崇岳 1 王 厚 1

(1 海南大学信息与通信工程学院 海口 570228)
(2 南京信息工程大学滨江学院 无锡 214105)
摘要：声波作为信息和能量的载体，一直以来在水下通信中被广泛采用，但尚未解决带宽窄、速率低的问题。
在光学领域和电磁波领域，轨道角动量都表征了螺旋相位结构的自然属性；通过引入轨道角动量到声学领域
中，水声通信系统的传输能力以及频谱效率都得到扩展。基于换能器圆阵列产生涡旋声波进行分析和检测，研
究涡旋声波波束的阵列产生方法，给出涡旋声波波束在水下传播的特性。在主轴方向，采用均匀圆阵列产生不
同拓扑模式的涡旋声波波束，确定轨道角动量拓扑模式与换能器阵列之间的对应关系；为生成不同拓扑模式
下的涡旋声波，研究阵列单元数目、阵列半径、传输频率等对涡旋声波的影响。通过研究发现模式数越高，涡旋
声波主瓣波束角越大，主瓣峰值越小。阵列半径越大，主瓣波束角越大，而主瓣峰值则随着阵列半径的增大而
减小；频率越高，主瓣波束角越小，主瓣峰值变化不大；阵列单元数对主瓣波束角无影响，但与主瓣峰值成正比
关系，阵列单元数越多，主瓣峰值越大。
关键词：水声工程；声波涡旋；换能器阵列；轨道角动量；波束角
中图法分类号: O427.9 文献标识码: A 文章编号: 1000-310X(2022)03-0471-10
DOI: 10.11684/j.issn.1000-310X.2022.03.018

Performance analysis of vortex acoustic wave based on uniform circular array
in underwater acoustic communication

XU Jie 1 LI Hui 1,2 ZHOU Youling 1 WANG Ping 1 LI Qian 1
XUE Liuxun 1 SHI Chongyue 1 WANG Hou 1

(1 School of Information and Communication Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)
(2 Binjiang College, Nanjing University of Information Science and Technology, Wuxi 214105, China)

Abstract: As a carrier for information and energy, acoustic waves have been applied in underwater
communication widely, however the narrow band and low transmission speed are the main problems. Whether
in the field of optics or electromagnetic waves, the orbital angular momentum (OAM) represents the natural
properties of the spiral phase structure. By introducing the OAM into the acoustics field, the transmission
capacity and spectrum efficiency of the underwater acoustic communication system can be expanded. Based
on the analysis and detection of the vortex acoustic wave generated by the circular array of transducers, we
studied the array generation method of the spiral acoustic beam, and gave the characteristics of the vortex
acoustic beam when propagating under the water. In the direction of the main axis, the uniform circular array
was used to generate different topological acoustic vortex. To determine the relationship between the OAM

2021-05-12 收稿; 2021-09-07 定稿
国家自然科学基金项目 (61661018), 海南省自然科学基金高层次人才项目 (2019RC036), 海南省自然科学基金面上项目 (619MS029,
∗
620MS020), 海南省高等学校科学研究项目 (Hnky2019-8)
作者简介: 徐洁 (1997– ), 女, 江西瑞昌人, 硕士研究生, 研究方向: 水声通信中换能器阵列的发射。
† 通信作者 E-mail: hitlihui1112@163.com; zhouyl@hainanu.edu.cn