Page 150 - 《应用声学》2022年第3期

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topology mode and the transducer array, the spiral acoustic waves in different topology modes were generated,
and the numbers of array elements, array radius, transmission frequency, etc. were investigated to give the
effects on OAM acoustic vortex. Through the research, it is found that the higher the number of modes, the
larger the beam angle of the main lobe of the vortex acoustic wave, and the smaller the peak of the main lobe.
The larger the array radius, the larger the main lobe beam angle, while the main lobe peak value decreases
with the increase of the array radius; the higher the frequency, the smaller the main lobe beam angle, and the
main lobe peak value does not change much; the number of array elements is right The main lobe beam angle
has no effect, but is proportional to the main lobe peak value. The more the number of array elements, the
larger the main lobe peak value.
Keywords: Hydroacoustic engineering; Acoustic vortex; Transducer array; Orbital angular momentum; Beam angle
证实了产生水下涡旋声波的可行性。Riaud 等 [12]
0 引言
通过叉指换能器单元阵列，利用频域逆滤波技术
水声技术是海洋通信发展的一个重要技术。水 能产生一定拓扑模式数的表面涡旋波。Marchiano
等 [13] 使用压电换能器阵列可以产生高阶单一涡旋
声通信是研究关于如何在已知的条件下更加准确
声束，并进行实验研究不同涡旋声场之间是如何进
地进行水下信息的传输的一门学问。在大气中，电
行相互作用。Demore 等 [14] 通过采用 1000 个声源
磁波带宽资源丰富、频段高，利用电磁波进行通信
的技术已经非常成熟。但是在海水中，海水对电磁 构成的天线阵列来产生比以往更加精确的涡旋声
波的吸收率很大，电磁波在海水中衰减的速度非常 场。Berkeley 国家实验室通过有源换能器阵列，完
之快，电磁信号无论是幅度还是频率都会有巨大的 成了涡旋声波多路复用的陆上实验，但其仅在陆地
畸变，在海水中的传输距离非常有限 [1] 。 声波传输环境中进行了近距离理想仿真和实验，没
在这种情况下，水下声波成了目前有效且较为 有进行水下实验，无法验证水下传输的有效性。
可靠的远距离信息传输媒介。虽然针对无线电的通 无源材料相对有源材料来讲，产生声学 OAM
信技术一直非常成熟，对水声通信的信息传输速率 的方法更加简单。Ealo 等 [15] 提出了利用多孔铁电
提升也有一定帮助 (例如正交频分复用 (OFDM) 技 驻极体材料在空气中产生涡旋声场的理论方法，在
术和多输入多输出(MIMO)技术等)，但是水声信道 高度螺旋状分布的表面上粘结多孔铁电驻极体薄
情况复杂，且深水与浅水情况也有所不同：海水温 膜导电胶，用脉冲信号进行驱动，实现空气中的
度、深度、洋流影响和季节变化，不同温层等因素都 OAM 涡旋声波，但是只能产生单频有效的涡旋波，
会影响水声通信，导致许多无线电通信方法无法正 且稳定传输具有距离限制。基于超表面结构也可以
常应用于水声通信当中。尽管目前水声通信技术已 产生声学涡旋，Ye 等 [16] 利用一种超表面结构产生
经有了进步，但现在仍然不能够像无线电通信技术 声学螺旋波；Naify 等 [17] 利用超材料缝隙天线产生
那样成熟与稳定，未来水声通信技术的发展还会有 声学螺旋波；Jiang 等 [18] 利用多臂螺旋裂隙板产生
很大的空间 [2] 。 声学螺旋波，实验中通过调整旋臂数目，可以控制涡
在电磁波领域中，目前产生轨道角动量 (Orbit 旋声场的阶数，并且在较长距离内也可以产生阶数
angular momentum, OAM) 波束的方式主要有以 稳定的涡旋声场。梁彬等 [19] 提出了利用超构表面
下几类：透射螺旋结构 [3] 、透射光栅结构 [4] 、螺旋反 对声学体系引入OAM；Li等 [20] 提出了利用尺度小
射面 [5] 、环形行波天线 [6] 、天线阵列 [7] 、超表面材 于波长的超表面将平面波转化为带有 OAM的涡旋
料 [8] 和反射阵 [9] 。产生OAM涡旋声波的方式一般 声束，通过调节超表面材料内嵌的亚波长共鸣器腔
分为两大类：有源方式和无源方式。 体的轴向长度，实现对入射波的不同相位延迟，进
有源技术属于声学相控技术，原理是通过对 一步实现具有涡旋声波，这一方法可以简单高效地
声学换能器的独立调控来形成相控阵列，产生能 产生声学力矩。这些方法为水下涡旋声波的低成本
够形成螺旋状的相位分布。声学中 OAM 声波的有 产生方法提供了借鉴，但结构要求高，有些要求自
源产生方法需要昂贵的成本和复杂的电路，在高 身具有螺旋分布的几何特征，声波能量的透射效率
频段应用有一定的困难 [10] 。Hefner等 [11] 提出一种 也有所限制，很难进行性能分析研究。为研究OAM
压电薄膜换能器产生具有螺旋波阵面的涡旋声束， 涡旋声波的产生并进行涡旋声波性能分析，本文利