研究了聲軌道角動量水下發(fā)射技術(shù)與多路復用的水下數(shù)據(jù)傳輸,基于點源理論推導了相控圓周陣列發(fā)射聲軌道角動量的基本原理,分析了干擾項的階數(shù)成分及干擾項對主項的影響,優(yōu)化設計了基于Cymbal換能器的陣列樣機,陣列樣機直徑為Φ180 mm,陣元數(shù)為10元,工作頻率為25 kHz,通過對陣列陣元的相位調(diào)控實現(xiàn)了-3至3六階聲軌道角動量的發(fā)射,驗證了基于相控原理實現(xiàn)不同拓撲荷數(shù)聲軌道角動量發(fā)射的理論。通過利用各階聲軌道角動量的開關(guān)狀態(tài)進行數(shù)據(jù)編碼,進行了基于聲軌道角動量多路復用的水下數(shù)據(jù)傳輸實驗,實驗結(jié)果表明,不同拓撲荷數(shù)的聲軌道角動量具有良好的正交性質(zhì),可以利用基于聲軌道角動量的多路復用技術(shù)實現(xiàn)水下數(shù)據(jù)傳輸功能。 

【文章來源】：聲學學報. 2020,45(06)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

圖１相控圓周陣列示意圖??在遠場各點源聲壓同幅不同相，并且各個基元??的起始相位分別為，因此等間距遠場相控陣遠??－＊＾?—－?－＊

階貝??塞爾函數(shù)值遠遠于其它Ｗ階，干擾項對主項的影??響可以忽略，在此范圍所對應的空間區(qū)域可以單獨??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，說明Ｔ擾項對主項的影響較大，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，在整個數(shù)據(jù)下？面的中心位??置，即ｓ軸附近表現(xiàn)主項性質(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有??定義因而相位出現(xiàn)畸變，在數(shù)據(jù)〒？面的邊緣，即遠離??＃軸位置，由千Ｔ擾項逐漸增大不再單獨表現(xiàn)主項的??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??不同拓撲荷數(shù)的聲軌道角動量之苘具有正文??性，理想情況下廠含有聲軌道角動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在該下－面上包含??了一定的Ｔ擾項倍息，但是各階Ｔ擾項之間的階數(shù)??互不相同依然滿足正交關(guān)系，因此在本次實驗中采??用整個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量仿真??分析??２．１干擾項與主項的空間分布驗證??基ｆ有限元分析方法對相控原理下聲軌道角動??量的發(fā)射理論進行驗征。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，并設貴聲源形式??為點源，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，從兩者的對比可以得出，仿??真所得主項的空間分布％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??在實際水下應用中，作為陣列陣元的發(fā)射換能??器其尺寸往往與諧振時波長相比擬且存在一定的指??向性，而在遠離諧振頻率處換能器的輛?＇射能力較弱??使得測試過程中的信噪比較低鴻一?２３Ｕ??為了最大限度滿足點源發(fā)射條件，同時兼顧良??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)射電壓響應為１２９??在水平維度無指向性，垂直維度指向性小于３?ｄＢ．??在Ｓ?

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Cymbal換能器的力電性能[J]. 王光燦,田文杰,林國廣,欒桂冬,張福學.  聲學學報. 2005(03)



本文編號：3354693