用一个空间光调制器产生任意光声场

发布时间：2020-06-02 02:04

【摘要】：在物理声学领域里,任意声场的产生和控制一直以来都是研究的重点,在操控粒子、超声治疗、超声成像、超声刺激神经和无损探伤等多个领域有重要的应用前景。目前,产生任意声场的方法主要有两种,一种是相控阵列技术,一种是打印全息图技术。相控阵列技术(PATs)就是将多个常规的超声能换器以阵列方式排布,而且每一个超声能换器的振幅或相位都能够独立控制。这种方法的优点是可以动态地实时地控制声场,但是构建这样的阵列通常需要非常复杂的控制电路和链接线路,不利于扩展,因此产生的声场分辨率比较低。打印全息图技术就是使用3D打印技术制造一个可以产生期望声场的声学全息图。这种方法的优点是可以产生高分辨率的声场,但是不能动态地实时地改变声场。因此,研究如何动态地控制高分辨率的声场是非常重要的。当采用脉冲光源或强度调制的光源照射吸光介质时,会发生光声效应,向外辐射声波。由于光的波长非常小,可以构建非常精细的光场,并作为声波的激发源。此外,使用超短脉冲激光器可以产生非常高频的声波。因此,利用光声效应来激发声场可以进一步地提高声场的精细程度。相对于控制声场,控制光场的方法要成熟很多,目前已经出现了商用的可以高速动态地控制光场的高分辨率的光学器件——空间光调制器(SLM)。本文利用光声效应和空间光调制器,在液体中产生了可以动态变化的高分辨率的任意声场。首先我们使用特殊的光场图案产生了一个带螺旋相位的单焦点声场。然后我们提出了一种高效快速的迭代算法,该算法可以计算出能产生任意声场的光声全息图。最后我们用本文提出的算法,在模拟计算上和在实验上测量了单平面的二维任意声场、多平面的任意声场和在任意曲面上的三维声场。所有在实验上测量得到的声场与模拟计算的结果非常吻合。虽然测量的声场都是静态的,但是我们可以通过编程控制声场快速变化,从而可以产生动态的声场。我们预计这个方法将在动态声学镊子和超声成像中得到应用。
【图文】：

图 1-1 相控阵列技术系统示意图。直径为 0.6 至 3.1mm 的膨胀聚苯乙烯颗粒悬浮在单面阵列上方。声换能器（直径 10mm）以 16Vpp 和 40kHz 驱动。（a）使用不同的排列并且不移动阵列，可以沿着3D 路径以高达 25cm / s 的速度平移粒子。（c）陷阱的强度足以容纳球体并抵抗任何方向的重力。（f）不对称物体，如椭圆形颗粒，可以在高达 128 转/分的速度下可控制地旋转。比例尺表示 a 中的颗粒为 2mm，其余为 20mm。此外，J.Greenhall 等人[8]使用了相控阵列技术，控制分散在液体中的微小粒子自组装成人们设计的任意二维形状。如图 1-2 所示，他们将声能转换器分布排列在需要产生任意声场的区域边沿，通过控制每一个单元的振幅或相位，构建特殊的二维驻波声场。通过分析粒子的受力特性，设计特殊的边界声场，就可以引导粒子自组装成任意的形状。

图 1-1 相控阵列技术系统示意图。直径为 0.6 至 3.1mm 的膨胀聚苯乙烯颗粒悬浮在单面阵列上方。声换能器（直径 10mm）以 16Vpp 和 40kHz 驱动。（a）使用不同的排列并且不移动阵列，可以沿着3D 路径以高达 25cm / s 的速度平移粒子。（c）陷阱的强度足以容纳球体并抵抗任何方向的重力。（f）不对称物体，如椭圆形颗粒，可以在高达 128 转/分的速度下可控制地旋转。比例尺表示 a 中的颗粒为 2mm，其余为 20mm。此外，J.Greenhall 等人[8]使用了相控阵列技术，，控制分散在液体中的微小粒子自组装成人们设计的任意二维形状。如图 1-2 所示，他们将声能转换器分布排列在需要产生任意声场的区域边沿，通过控制每一个单元的振幅或相位，构建特殊的二维驻波声场。通过分析粒子的受力特性，设计特殊的边界声场，就可以引导粒子自组装成任意的形状。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN761;O426.3

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本文编号：2692437