散射体旋转诱导模态下拓扑声高性能波束成形机理

摘要

实现具有特定形式的无旁瓣高指向性声波波束的发射以及发射器件抵抗错误因素的能力过低一直是波束成形领域的棘手问题，通过旋转散射体在声学拓扑绝缘体的体边对应关系下提出了散射体旋转诱导模态下拓扑声学高性能波束成形机理。受到旋转散射体对模态耦合的调控，能够实现无旁瓣宽频段下对波束波峰宽度以及波束能量衰减速率的近场和远场调控。通过在此结构内部引入错误因素，发现此拓扑声学高性能波束成形器具有高容错特性，多个错误因素对波束成形的近场远场结果基本不产生影响，这在很大程度上降低了加工制造的难度，同时极大地提高了器件的使用寿命。分别对拓扑声学波束成形以及错误因素介入下波束成形进行了实验验证，实验测试结果实现了4 100～4 630 Hz宽频带下无旁瓣的宽波峰波束，并且在器件中部分散射体缺失的情况下充分验证了波束成形器的高容错性。该研究提出的全新波束成形方法可为声学通信、微纳制造、生物医学和其他微形及多功能声学设备的工程应用提供参考。

关键词

波束成形 / 拓扑声学 / 高容错 / 模态耦合 / 无旁瓣

基金资助

国家自然科学基金资助项目(51675401)