研究了聲軌道角動(dòng)量水下發(fā)射技術(shù)與多路復(fù)用的水下數(shù)據(jù)傳輸,基于點(diǎn)源理論推導(dǎo)了相控圓周陣列發(fā)射聲軌道角動(dòng)量的基本原理,分析了干擾項(xiàng)的階數(shù)成分及干擾項(xiàng)對(duì)主項(xiàng)的影響,優(yōu)化設(shè)計(jì)了基于Cymbal換能器的陣列樣機(jī),陣列樣機(jī)直徑為Φ180 mm,陣元數(shù)為10元,工作頻率為25 kHz,通過(guò)對(duì)陣列陣元的相位調(diào)控實(shí)現(xiàn)了-3至3六階聲軌道角動(dòng)量的發(fā)射,驗(yàn)證了基于相控原理實(shí)現(xiàn)不同拓?fù)浜蓴?shù)聲軌道角動(dòng)量發(fā)射的理論。通過(guò)利用各階聲軌道角動(dòng)量的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼,進(jìn)行了基于聲軌道角動(dòng)量多路復(fù)用的水下數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同拓?fù)浜蓴?shù)的聲軌道角動(dòng)量具有良好的正交性質(zhì),可以利用基于聲軌道角動(dòng)量的多路復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下數(shù)據(jù)傳輸功能。 

【文章來(lái)源】：聲學(xué)學(xué)報(bào). 2020,45(06)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：9 頁(yè)

【部分圖文】：

圖１相控圓周陣列示意圖??在遠(yuǎn)場(chǎng)各點(diǎn)源聲壓同幅不同相，并且各個(gè)基元??的起始相位分別為，因此等間距遠(yuǎn)場(chǎng)相控陣遠(yuǎn)??－＊＾?—－?－＊

階貝??塞爾函數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)于其它Ｗ階，干擾項(xiàng)對(duì)主項(xiàng)的影??響可以忽略，在此范圍所對(duì)應(yīng)的空間區(qū)域可以單獨(dú)??表現(xiàn)主階性質(zhì)？，在更大０Ｓ取值的情況下ｆ兩者不再??重合，說(shuō)明Ｔ擾項(xiàng)對(duì)主項(xiàng)的影響較大，因而在此空間??區(qū)域表現(xiàn)上述各階的疊加狀態(tài)，??圖＇２理論上主？＊的空間位：ａ分布??選取陣半徑０．２５?ｍ，頻率２５?ｋＨｚ，其它參數(shù)不??變，在距離發(fā)射陣１．０?ｍ遠(yuǎn)處取與ｓ軸垂？直的大小??０．８?ｍ?Ｘ?０．８?ｍ數(shù)據(jù)肀面上（見圖３），利用式（７）得到??該〒？面上聲壓幅值分布如圖４（ａ）所示ｓ聲壓相位分??布如圖４（ｂ），圖３＝中ｓ軸穿過(guò)該數(shù)據(jù)平面的中心，??為本次模型建立的傳輸軸。??從圖４中可以得出，在整個(gè)數(shù)據(jù)下？面的中心位??置，即ｓ軸附近表現(xiàn)主項(xiàng)性質(zhì)：聲壓幅值的分布呈??現(xiàn)暗環(huán)和亮環(huán)交替分布的情形，且數(shù)據(jù)下－面的中心??表現(xiàn)暗核性質(zhì)，亮環(huán)＃暗環(huán)分布的空間位置與理論??推導(dǎo)吻合，在聲壓幅值的亮環(huán)區(qū)域聲壓相位隨方位??角變化線性變化，在暗環(huán)區(qū)域聲壓為零處相位沒(méi)有??定義因而相位出現(xiàn)畸變，在數(shù)據(jù)〒？面的邊緣，即遠(yuǎn)離??＃軸位置，由千Ｔ擾項(xiàng)逐漸增大不再單獨(dú)表現(xiàn)主項(xiàng)的??性質(zhì)而是表現(xiàn)各階的疊加狀態(tài)，因此聲壓幅值的分??布不再具有明顯的規(guī)律性，聲壓相位的分布隨方位??角變化不再線性。??（３）爾轔植：分布?：（ｂ）．：聲＿ＪＳ相位分布??圖４聲壓幅值及相位分布??１．３正交原理??不同拓?fù)浜蓴?shù)的聲軌道角動(dòng)量之苘具有正文??性，理想情況下廠含有聲軌道角動(dòng)Ｍ的聲波其正交??性可以表示為：??ＪＪ?ｍｉ?－Ｍｂ?（ｒ．?ｆｅｔｌｒｔｉｒｄｐ?＝??鈣：）｜２?ｒｄｒｄｐ．）＊．??Ｌｉ＝Ｌ，２－??⑻??取

理，從上述分析可以得出雖然此時(shí)在該下－面上包含??了一定的Ｔ擾項(xiàng)倍息，但是各階Ｔ擾項(xiàng)之間的階數(shù)??互不相同依然滿足正交關(guān)系，因此在本次實(shí)驗(yàn)中采??用整個(gè)截面處的聲壓倍息屜可行的＾??２基于相控原理的聲軌道角動(dòng)量仿真??分析??２．１干擾項(xiàng)與主項(xiàng)的空間分布驗(yàn)證??基ｆ有限元分析方法對(duì)相控原理下聲軌道角動(dòng)??量的發(fā)射理論進(jìn)行驗(yàn)征。Ｋ置陣元數(shù)為１Ｑ，陣半徑??０，２５?ｍ，頻率２５?ｋＨｂ相位系數(shù)為１，并設(shè)貴聲源形式??為點(diǎn)源，得到與圖３同一位鎪處的聲壓幅值與相位??分布情況如圖５所示，從兩者的對(duì)比可以得出，仿??真所得主項(xiàng)的空間分布％理論分析一致，聲壓幅值??在數(shù)據(jù)平面的中心位置呈現(xiàn)明暗交替的環(huán)狀分布，??在宗量籌Ｔ?〇３?４，?７位ｆｃ為聲壓幅值的零點(diǎn)位置因??此聲壓相位出現(xiàn)畸變，宗量處Ｔ?〇？４與４￣７之間??時(shí)為聲壓幅值的亮環(huán)區(qū)域即相位線性變化區(qū)域，在??宗嫉大Ｐ?７的區(qū)域，〒擾項(xiàng)的逐漸增大使得聲壓幅??值與相位變化不再具有明顯的變化規(guī)律。??．⑷：聲ｍ：幡值分布?ｗ雜相梭分布??圖５聲壓幅值及相位分布??２．２基于Ｃｙｍｂａｌ換能器的相控陣列??在實(shí)際水下應(yīng)用中，作為陣列陣元的發(fā)射換能??器其尺寸往往與諧振時(shí)波長(zhǎng)相比擬且存在一定的指??向性，而在遠(yuǎn)離諧振頻率處換能器的輛?＇射能力較弱??使得測(cè)試過(guò)程中的信噪比較低鴻一?２３Ｕ??為了最大限度滿足點(diǎn)源發(fā)射條件，同時(shí)兼顧良??好的信嗓比，選用Ｃｙｍｂａｌ換能器作為發(fā)射換能器陣??元、，其基本尺寸及結(jié)構(gòu)示意圖如圖６（ａ）所示』諧振頻??率為貓７?Ｈｆｅ，諧振頻率處發(fā)射電壓響應(yīng)為１２９??在水平維度無(wú)指向性，垂直維度指向性小于３?ｄＢ．??在Ｓ?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Cymbal換能器的力電性能[J]. 王光燦,田文杰,林國(guó)廣,欒桂冬,張福學(xué).  聲學(xué)學(xué)報(bào). 2005(03)



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