声轨道角动量水下发射与数据传输实验
发布时间：2021-08-21 02:21
研究了声轨道角动量水下发射技术与多路复用的水下数据传输,基于点源理论推导了相控圆周阵列发射声轨道角动量的基本原理,分析了干扰项的阶数成分及干扰项对主项的影响,优化设计了基于Cymbal换能器的阵列样机,阵列样机直径为Φ180 mm,阵元数为10元,工作频率为25 kHz,通过对阵列阵元的相位调控实现了-3至3六阶声轨道角动量的发射,验证了基于相控原理实现不同拓扑荷数声轨道角动量发射的理论。通过利用各阶声轨道角动量的开关状态进行数据编码,进行了基于声轨道角动量多路复用的水下数据传输实验,实验结果表明,不同拓扑荷数的声轨道角动量具有良好的正交性质,可以利用基于声轨道角动量的多路复用技术实现水下数据传输功能。
【文章来源】：声学学报. 2020,45(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图１相控圆周阵列示意图??在远场各点源声压同幅不同相，并且各个基元??的起始相位分别为，因此等间距远场相控阵远??－＊＾?—－?－＊
阶贝??塞尔函数值远远于其它Ｗ阶，干扰项对主项的影??响可以忽略，在此范围所对应的空间区域可以单独??表现主阶性质？，在更大０Ｓ取值的情况下ｆ两者不再??重合，说明Ｔ扰项对主项的影响较大，因而在此空间??区域表现上述各阶的叠加状态，??图＇２理论上主？＊的空间位：ａ分布??选取阵半径０．２５?ｍ，频率２５?ｋＨｚ，其它参数不??变，在距离发射阵１．０?ｍ远处取与ｓ轴垂？直的大小??０．８?ｍ?Ｘ?０．８?ｍ数据肀面上（见图３），利用式（７）得到??该〒？面上声压幅值分布如图４（ａ）所示ｓ声压相位分??布如图４（ｂ），图３＝中ｓ轴穿过该数据平面的中心，??为本次模型建立的传输轴。??从图４中可以得出，在整个数据下？面的中心位??置，即ｓ轴附近表现主项性质：声压幅值的分布呈??现暗环和亮环交替分布的情形，且数据下－面的中心??表现暗核性质，亮环＃暗环分布的空间位置与理论??推导吻合，在声压幅值的亮环区域声压相位随方位??角变化线性变化，在暗环区域声压为零处相位没有??定义因而相位出现畸变，在数据〒？面的边缘，即远离??＃轴位置，由千Ｔ扰项逐渐增大不再单独表现主项的??性质而是表现各阶的叠加状态，因此声压幅值的分??布不再具有明显的规律性，声压相位的分布随方位??角变化不再线性。??（３）爾轔植：分布?：（ｂ）．：声＿ＪＳ相位分布??图４声压幅值及相位分布??１．３正交原理??不同拓扑荷数的声轨道角动量之苘具有正文??性，理想情况下厂含有声轨道角动Ｍ的声波其正交??性可以表示为：??ＪＪ?ｍｉ?－Ｍｂ?（ｒ．?ｆｅｔｌｒｔｉｒｄｐ?＝??钙：）｜２?ｒｄｒｄｐ．）＊．??Ｌｉ＝Ｌ，２－??⑻??取
理，从上述分析可以得出虽然此时在该下－面上包含??了一定的Ｔ扰项倍息，但是各阶Ｔ扰项之间的阶数??互不相同依然满足正交关系，因此在本次实验中采??用整个截面处的声压倍息屉可行的＾??２基于相控原理的声轨道角动量仿真??分析??２．１干扰项与主项的空间分布验证??基ｆ有限元分析方法对相控原理下声轨道角动??量的发射理论进行验征。Ｋ置阵元数为１Ｑ，阵半径??０，２５?ｍ，频率２５?ｋＨｂ相位系数为１，并设貴声源形式??为点源，得到与图３同一位锼处的声压幅值与相位??分布情况如图５所示，从两者的对比可以得出，仿??真所得主项的空间分布％理论分析一致，声压幅值??在数据平面的中心位置呈现明暗交替的环状分布，??在宗量筹Ｔ?〇３?４，?７位ｆｃ为声压幅值的零点位置因??此声压相位出现畸变，宗量处Ｔ?〇？４与４￣７之间??时为声压幅值的亮环区域即相位线性变化区域，在??宗嫉大Ｐ?７的区域，〒扰项的逐渐增大使得声压幅??值与相位变化不再具有明显的变化规律。??．⑷：声ｍ：幡值分布?ｗ雜相梭分布??图５声压幅值及相位分布??２．２基于Ｃｙｍｂａｌ换能器的相控阵列??在实际水下应用中，作为阵列阵元的发射换能??器其尺寸往往与谐振时波长相比拟且存在一定的指??向性，而在远离谐振频率处换能器的辆?＇射能力较弱??使得测试过程中的信噪比较低鸿一?２３Ｕ??为了最大限度满足点源发射条件，同时兼顾良??好的信嗓比，选用Ｃｙｍｂａｌ换能器作为发射换能器阵??元、，其基本尺寸及结构示意图如图６（ａ）所示』谐振频??率为猫７?Ｈｆｅ，谐振频率处发射电压响应为１２９??在水平维度无指向性，垂直维度指向性小于３?ｄＢ．??在Ｓ?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Cymbal换能器的力电性能[J]. 王光灿,田文杰,林国广,栾桂冬,张福学. 声学学报. 2005(03)
本文编号：3354693
【文章来源】：声学学报. 2020,45(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图１相控圆周阵列示意图??在远场各点源声压同幅不同相，并且各个基元??的起始相位分别为，因此等间距远场相控阵远??－＊＾?—－?－＊
阶贝??塞尔函数值远远于其它Ｗ阶，干扰项对主项的影??响可以忽略，在此范围所对应的空间区域可以单独??表现主阶性质？，在更大０Ｓ取值的情况下ｆ两者不再??重合，说明Ｔ扰项对主项的影响较大，因而在此空间??区域表现上述各阶的叠加状态，??图＇２理论上主？＊的空间位：ａ分布??选取阵半径０．２５?ｍ，频率２５?ｋＨｚ，其它参数不??变，在距离发射阵１．０?ｍ远处取与ｓ轴垂？直的大小??０．８?ｍ?Ｘ?０．８?ｍ数据肀面上（见图３），利用式（７）得到??该〒？面上声压幅值分布如图４（ａ）所示ｓ声压相位分??布如图４（ｂ），图３＝中ｓ轴穿过该数据平面的中心，??为本次模型建立的传输轴。??从图４中可以得出，在整个数据下？面的中心位??置，即ｓ轴附近表现主项性质：声压幅值的分布呈??现暗环和亮环交替分布的情形，且数据下－面的中心??表现暗核性质，亮环＃暗环分布的空间位置与理论??推导吻合，在声压幅值的亮环区域声压相位随方位??角变化线性变化，在暗环区域声压为零处相位没有??定义因而相位出现畸变，在数据〒？面的边缘，即远离??＃轴位置，由千Ｔ扰项逐渐增大不再单独表现主项的??性质而是表现各阶的叠加状态，因此声压幅值的分??布不再具有明显的规律性，声压相位的分布随方位??角变化不再线性。??（３）爾轔植：分布?：（ｂ）．：声＿ＪＳ相位分布??图４声压幅值及相位分布??１．３正交原理??不同拓扑荷数的声轨道角动量之苘具有正文??性，理想情况下厂含有声轨道角动Ｍ的声波其正交??性可以表示为：??ＪＪ?ｍｉ?－Ｍｂ?（ｒ．?ｆｅｔｌｒｔｉｒｄｐ?＝??钙：）｜２?ｒｄｒｄｐ．）＊．??Ｌｉ＝Ｌ，２－??⑻??取
理，从上述分析可以得出虽然此时在该下－面上包含??了一定的Ｔ扰项倍息，但是各阶Ｔ扰项之间的阶数??互不相同依然满足正交关系，因此在本次实验中采??用整个截面处的声压倍息屉可行的＾??２基于相控原理的声轨道角动量仿真??分析??２．１干扰项与主项的空间分布验证??基ｆ有限元分析方法对相控原理下声轨道角动??量的发射理论进行验征。Ｋ置阵元数为１Ｑ，阵半径??０，２５?ｍ，频率２５?ｋＨｂ相位系数为１，并设貴声源形式??为点源，得到与图３同一位锼处的声压幅值与相位??分布情况如图５所示，从两者的对比可以得出，仿??真所得主项的空间分布％理论分析一致，声压幅值??在数据平面的中心位置呈现明暗交替的环状分布，??在宗量筹Ｔ?〇３?４，?７位ｆｃ为声压幅值的零点位置因??此声压相位出现畸变，宗量处Ｔ?〇？４与４￣７之间??时为声压幅值的亮环区域即相位线性变化区域，在??宗嫉大Ｐ?７的区域，〒扰项的逐渐增大使得声压幅??值与相位变化不再具有明显的变化规律。??．⑷：声ｍ：幡值分布?ｗ雜相梭分布??图５声压幅值及相位分布??２．２基于Ｃｙｍｂａｌ换能器的相控阵列??在实际水下应用中，作为阵列阵元的发射换能??器其尺寸往往与谐振时波长相比拟且存在一定的指??向性，而在远离谐振频率处换能器的辆?＇射能力较弱??使得测试过程中的信噪比较低鸿一?２３Ｕ??为了最大限度满足点源发射条件，同时兼顾良??好的信嗓比，选用Ｃｙｍｂａｌ换能器作为发射换能器阵??元、，其基本尺寸及结构示意图如图６（ａ）所示』谐振频??率为猫７?Ｈｆｅ，谐振频率处发射电压响应为１２９??在水平维度无指向性，垂直维度指向性小于３?ｄＢ．??在Ｓ?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Cymbal换能器的力电性能[J]. 王光灿,田文杰,林国广,栾桂冬,张福学. 声学学报. 2005(03)
本文编号：3354693
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