【摘要】：在物理聲學(xué)領(lǐng)域里,任意聲場(chǎng)的產(chǎn)生和控制一直以來(lái)都是研究的重點(diǎn),在操控粒子、超聲治療、超聲成像、超聲刺激神經(jīng)和無(wú)損探傷等多個(gè)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。目前,產(chǎn)生任意聲場(chǎng)的方法主要有兩種,一種是相控陣列技術(shù),一種是打印全息圖技術(shù)。相控陣列技術(shù)(PATs)就是將多個(gè)常規(guī)的超聲能換器以陣列方式排布,而且每一個(gè)超聲能換器的振幅或相位都能夠獨(dú)立控制。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以動(dòng)態(tài)地實(shí)時(shí)地控制聲場(chǎng),但是構(gòu)建這樣的陣列通常需要非常復(fù)雜的控制電路和鏈接線路,不利于擴(kuò)展,因此產(chǎn)生的聲場(chǎng)分辨率比較低。打印全息圖技術(shù)就是使用3D打印技術(shù)制造一個(gè)可以產(chǎn)生期望聲場(chǎng)的聲學(xué)全息圖。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生高分辨率的聲場(chǎng),但是不能動(dòng)態(tài)地實(shí)時(shí)地改變聲場(chǎng)。因此,研究如何動(dòng)態(tài)地控制高分辨率的聲場(chǎng)是非常重要的。當(dāng)采用脈沖光源或強(qiáng)度調(diào)制的光源照射吸光介質(zhì)時(shí),會(huì)發(fā)生光聲效應(yīng),向外輻射聲波。由于光的波長(zhǎng)非常小,可以構(gòu)建非常精細(xì)的光場(chǎng),并作為聲波的激發(fā)源。此外,使用超短脈沖激光器可以產(chǎn)生非常高頻的聲波。因此,利用光聲效應(yīng)來(lái)激發(fā)聲場(chǎng)可以進(jìn)一步地提高聲場(chǎng)的精細(xì)程度。相對(duì)于控制聲場(chǎng),控制光場(chǎng)的方法要成熟很多,目前已經(jīng)出現(xiàn)了商用的可以高速動(dòng)態(tài)地控制光場(chǎng)的高分辨率的光學(xué)器件——空間光調(diào)制器(SLM)。本文利用光聲效應(yīng)和空間光調(diào)制器,在液體中產(chǎn)生了可以動(dòng)態(tài)變化的高分辨率的任意聲場(chǎng)。首先我們使用特殊的光場(chǎng)圖案產(chǎn)生了一個(gè)帶螺旋相位的單焦點(diǎn)聲場(chǎng)。然后我們提出了一種高效快速的迭代算法,該算法可以計(jì)算出能產(chǎn)生任意聲場(chǎng)的光聲全息圖。最后我們用本文提出的算法,在模擬計(jì)算上和在實(shí)驗(yàn)上測(cè)量了單平面的二維任意聲場(chǎng)、多平面的任意聲場(chǎng)和在任意曲面上的三維聲場(chǎng)。所有在實(shí)驗(yàn)上測(cè)量得到的聲場(chǎng)與模擬計(jì)算的結(jié)果非常吻合。雖然測(cè)量的聲場(chǎng)都是靜態(tài)的,但是我們可以通過編程控制聲場(chǎng)快速變化,從而可以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的聲場(chǎng)。我們預(yù)計(jì)這個(gè)方法將在動(dòng)態(tài)聲學(xué)鑷子和超聲成像中得到應(yīng)用。
【圖文】：

圖 1-1 相控陣列技術(shù)系統(tǒng)示意圖。直徑為 0.6 至 3.1mm 的膨脹聚苯乙烯顆粒懸浮在單面陣列上方。聲換能器（直徑 10mm）以 16Vpp 和 40kHz 驅(qū)動(dòng)。（a）使用不同的排列并且不移動(dòng)陣列，可以沿著3D 路徑以高達(dá) 25cm / s 的速度平移粒子。（c）陷阱的強(qiáng)度足以容納球體并抵抗任何方向的重力。（f）不對(duì)稱物體，如橢圓形顆粒，可以在高達(dá) 128 轉(zhuǎn)/分的速度下可控制地旋轉(zhuǎn)。比例尺表示 a 中的顆粒為 2mm，其余為 20mm。此外，J.Greenhall 等人[8]使用了相控陣列技術(shù)，控制分散在液體中的微小粒子自組裝成人們?cè)O(shè)計(jì)的任意二維形狀。如圖 1-2 所示，他們將聲能轉(zhuǎn)換器分布排列在需要產(chǎn)生任意聲場(chǎng)的區(qū)域邊沿，通過控制每一個(gè)單元的振幅或相位，構(gòu)建特殊的二維駐波聲場(chǎng)。通過分析粒子的受力特性，設(shè)計(jì)特殊的邊界聲場(chǎng)，就可以引導(dǎo)粒子自組裝成任意的形狀。

圖 1-1 相控陣列技術(shù)系統(tǒng)示意圖。直徑為 0.6 至 3.1mm 的膨脹聚苯乙烯顆粒懸浮在單面陣列上方。聲換能器（直徑 10mm）以 16Vpp 和 40kHz 驅(qū)動(dòng)。（a）使用不同的排列并且不移動(dòng)陣列，可以沿著3D 路徑以高達(dá) 25cm / s 的速度平移粒子。（c）陷阱的強(qiáng)度足以容納球體并抵抗任何方向的重力。（f）不對(duì)稱物體，如橢圓形顆粒，可以在高達(dá) 128 轉(zhuǎn)/分的速度下可控制地旋轉(zhuǎn)。比例尺表示 a 中的顆粒為 2mm，其余為 20mm。此外，J.Greenhall 等人[8]使用了相控陣列技術(shù)，，控制分散在液體中的微小粒子自組裝成人們?cè)O(shè)計(jì)的任意二維形狀。如圖 1-2 所示，他們將聲能轉(zhuǎn)換器分布排列在需要產(chǎn)生任意聲場(chǎng)的區(qū)域邊沿，通過控制每一個(gè)單元的振幅或相位，構(gòu)建特殊的二維駐波聲場(chǎng)。通過分析粒子的受力特性，設(shè)計(jì)特殊的邊界聲場(chǎng)，就可以引導(dǎo)粒子自組裝成任意的形狀。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN761;O426.3

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本文編號(hào)：2692437