一种非接触式旋转装置及一种调制件制备方法与流程

1.本发明涉及声学领域，尤其涉及一种非接触式旋转装置及一种调制件制备方法。


背景技术：

2.现有的旋转驱动装置，大部分为直接接触，例如通过可旋转的载物台旋转以带动放置载物台上的物体旋转，或是将旋转电机的输出轴与待操控物体的转轴连接以驱使物体转动，然而在生物、医学、化学等对环境洁净度有较高要求的领域，直接接触式的驱动容易造成外来污染，影响产品质量或干扰实验结果。
3.由于声波携带有动量和角动量，可以在非接触式的情况下将动量或角动量传递给物体，实现对物体的捕获、平移或旋转等操作，因此，通过声场进行非接触式的操控物体成为了国内外研究的热点。传统技术中，利用众多的声学换能器排布成环形声源阵列，并通过分别控制每个换能器的相位延时，通过声场叠加形成声涡旋场，但是该种声涡旋场的产生装置需要较为复杂的控制系统和庞大的换能器阵列，成本较高，产生具有目标参数的声涡旋场的调试过程特别复杂。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种非接触式旋转装置，该装置能够生成多阶拓扑荷数的声涡旋场，装置结构较为简单，整体装置造价较为便宜。
5.本发明还提出一种调制件制备方法。
6.根据本发明的第一方面实施例的非接触式旋转装置，包括：
7.超声换能器，所述超声换能器用于产生平面波；
8.调制件，所述调制件设置于所述平面波的传播路径上，并位于所述超声换能器和所述目标物体之间；
9.其中，所述调制件能够使经过所述调制件的所述平面波产生相位差，以形成具有多阶拓扑荷数的涡旋声场，所述涡旋声场能够驱动所述目标物体旋转。
10.根据本发明实施例的非接触式旋转装置，至少具有如下有益效果：本实施例的非接触式旋转装置相较于现有技术中的有源相控技术而言，装置结构较为简单，整体装置造价较为便宜，能够被广泛应用于实验系统或工业制造中。相较于现有的无源相位调制技术而言，本实施例的非接触式旋转装置能够生成多阶拓扑荷数的声涡旋场，能够通过调节调制件和目标物体之间的距离实现对物体旋转速度的操控，更利于操作者根据需求选取合适阶数的声涡旋场施加于目标物体上，操作起来更为灵活，能够有效减少操作者调节声学结构的从而获得目标声场的时间，提高实验操作或工业生产的效率。
11.根据本发明的一些实施例，所述非接触式旋转装置能够操控多个所述目标物体旋转，各个所述目标物体沿所述涡旋声场的传播方向上依次设置，并且，沿远离所述调制件的方向，各所述目标物体的转速依次降低。
12.根据本发明的一些实施例，所述调制件由不透声的材料制成，所述调制件设有具有螺旋结构的贯穿槽，所述螺旋结构满足以下公式：
[0013][0014]
其中，r0为所述螺旋结构的初始半径，z为所述目标物体距离所述调制件的垂直距离，l为所述涡旋声场的拓扑荷数，λ为声波波长，为螺旋结构的极角，m为正整数。
[0015]
根据本发明的一些实施例，所述调制件由透声材料制成，所述调制件为厚度不均匀的结构，所述调制件的厚度满足以下公式：
[0016]
δt(x,y)＝δφ(x,y)/(k
m-kh)；
[0017]
其中，δt(x,y)为所述调制件的任一位置的厚度，δφ(x,y)为该位置的相位分布，km为所述透声材料的波数，kh为传播介质的波数。
[0018]
根据本发明的一些实施例，所述非接触式旋转装置还包括容器，所述容器用于容置传播介质，所述目标物体设置于所述容器中，并漂浮于所述传播介质上。
[0019]
根据本发明的一些实施例，所述调制件由超表面制成，所述超表面上的不同位置处排列有微柱，所述超表面上划分有多个超表面单元，各所述超表面单元上所述微柱排列的体积分数满足以下公式：
[0020][0021]
其中，表示相位，cm声传播介质的声速，c
unit
为由微柱和介质构成超表面单元的等效声速，其中，c
unit
＝(b
unit
/ρ
unit
)
1/
，b
unit
为超表面单元的等效体模量，ρ
unit
为超表面单元的等效密度，f为平面波频率。
[0022]
根据本发明的一些实施例，所述目标物体、所述调制件和所述超声换能器沿从上到下的方向依次设置，当所述非接触式旋转装置处于工作状态时，能够驱动所述目标物体悬浮于所述调制件的上方，并进行旋转运动。
[0023]
根据本发明的一些实施例，所述非接触式旋转装置还包括连接件，所述连接件连接于所述目标物体，当所述涡旋声场驱动所述目标物体旋转时，所述连接件的轴向与所述目标物体的旋转轴同轴设置。
[0024]
根据本发明的一些实施例，所述超声换能器和所述调制件连接，所述非接触式旋转装置还包括位置调节机构，所述位置调节机构能够调节所述超声换能器和所述调制件到所述目标物体之间的距离，以调节所述目标物体所在位置上所述涡旋声场的拓扑荷数。
[0025]
根据本发明的第二方面实施例的调制件制备方法，包括以下步骤：
[0026]
s100在仿真模拟软件中建模出调制件，并定义所述调制件的参数，设定一个目标平面和一个发射平面，所述目标平面距离所述发射平面的距离为z，所述调制件位于所述发射平面上；
[0027]
s200构建沿第一方向传播并经过所述调制件的平面波声场和沿第二方向传播的迭代声场，所述第一方向和所述第二方向相反，所述平面波声场经过所述调制件后形成涡旋声场；
[0028]
s300将所述迭代声场沿所述第二方向传播至所述调制件的所述发射平面；
[0029]
s400提取所述发射平面上的振幅和相位信息，将所述涡旋声场的振幅调整为所述
发射平面上的振幅，并保留所述平面波声场的相位不变；
[0030]
s500将所述涡旋声场沿所述第一方向传播至所述目标平面；
[0031]
s600提取所述目标平面上的振幅和相位信息，将所述迭代声场的振幅调整为所述目标平面上的振幅，并保留所述迭代声场的相位不变；
[0032]
s700重复步骤s200至步骤s600，直至所述迭代声场收敛；
[0033]
s800提取收敛情况下所述迭代声场传播至所述发射平面的相位分布信息；
[0034]
s900根据所述相位分布信息计算出所述调制件的厚度分布信息；
[0035]
s1000制造所述调制件。
[0036]
根据本发明的一些实施例，在步骤s1000中，通过3d打印工艺或刻蚀工艺制造出所述调制件。
[0037]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0038]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
[0039]
图1为不同阶数拓扑荷数的涡旋声场的示意图；
[0040]
图2为本发明实施例的非接触式旋转装置的结构示意图；
[0041]
图3为本发明实施例的调制件的第一种实施方式的结构示意图；
[0042]
图4为图3中调制件的另一种结构示意图；
[0043]
图5为涡旋声场的产生原理的示意图；
[0044]
图6为本发明实施例的涡旋声场的声强场、相位场的理论计算图；
[0045]
图7为本发明实施例的涡旋声场的声强场、相位场的实验测量图；
[0046]
图8为本发明实施例的目标物体在不同拓扑荷数声场下旋转一周所需时间的示意图；
[0047]
图9为本发明实施例的调制件的第二种实施方式的结构示意图；
[0048]
图10为本发明实施例的调制件的第三种实施方式中超表面的微观结构示意图；
[0049]
图11为本发明实施例的调制件的第三种实施方式中各超表面单元中不同体积分数的微柱排列示意图；
[0050]
图12为本发明实施例的调制件的制备流程图。
[0051]
附图标记：
[0052]
超声换能器100、调制件200、螺旋结构210、目标物体300、容器400。
具体实施方式
[0053]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0054]
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和
操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0055]
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0056]
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
[0057]
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0058]
本技术第一方面的实施例提出了一种非接触式旋转装置，能够通过声波操控目标物体300旋转。具体的，该非接触式旋转装置包括超声换能器100和调制件200，超声换能器100用于产生平面波，调制件200设置于平面波的传播路径上，并且位于超声换能器100和目标物体300之间。平面波由超声换能器100发出，经过调制件200的处理转换成涡旋声波并传递到目标物体300处。其中，调制件200能够使经过调制件200的平面波产生相位差，以形成具有多阶拓扑荷数的涡旋声场，该涡旋声场能够驱动目标物体300旋转。
[0059]
需解释的是，如图1所示，拓扑荷数为一个波长的传播距离内波阵面发生扭转的次数。当拓扑荷数为0时，声波以平面波形式传播。拓扑荷数为1时，声波为涡旋波，涡旋波束的波阵面是一个连续的螺旋面，沿传播方向无限延拓。而当拓扑荷数大于或等于2时，涡旋波束的波阵面将由多个相互交织的螺旋面构成。如图所示，拓扑荷数始终为整数，可以是正数或负数，具体取决于扭曲的方向。拓扑荷数越大表示波阵面沿着中心轴旋转得越快。具有非零的拓扑荷数的涡旋声波携带着非零的轨道角动量，当涡旋声波与一个能够吸收声能的物体相互作用时，可以将所携带的轨道角动量传递给该物体，从而对其施加一定大小的力矩，以使其目标物体300旋转。目标物体300的旋转速度与拓扑荷数的大小呈正比，即，拓扑荷数越大时，目标物体300旋转速度越快。
[0060]
当前声涡旋的产生方法主要包括有源相控技术和无源相位调制技术两大类；其中，有源相控方法主要利用换能器阵列来实现，通过单独调节每个换能器的初始相位，构造出任意拓扑荷数的声涡旋，有源相控技术在声场调控上具有灵活度高的优势，但其电路复杂造价昂贵，在实验系统构建乃至实际运用中具有一定的局限性。而无源相位调制技术主要通过声学结构产生，利用特殊结构或超表面材料对入射声波的波阵面进行相位调制，产生具有固定拓扑荷数的声涡旋，这种无源相位调控方法虽然克服了复杂电路驱动系统的限制，但是由于产生的涡旋声场的拓扑荷数为固定值，无法对目标物体300的旋转速度及位置进行调节，其灵活度较差。
[0061]
为此，本技术的非接触式旋转装置能够产生具有多阶拓扑荷数的涡旋声场，更具体的是，在涡旋声波的传播路径上，存在有多个位置分别具有较为稳定的声涡旋场，并且不同位置处的声涡旋场的拓扑荷数是不同的。需解释的是，沿涡旋声波的传播方向，拓扑荷数
的数值逐渐减小。因此，在声涡旋场生成后，操作者会择优选取其中较为稳定的、具有整数阶拓扑荷数的位置进行目标物体300的非接触式操控。操作者能够根据需求调整调制件200和目标物体300之间的距离，进而使目标物体300从某一阶数的涡旋声场切换至另一阶数的涡旋声场中，以对目标物体300旋转速度的灵活操控。
[0062]
在一些实施例中，非接触式旋转装置能够同时操控多个目标物体300旋转，如图2所示的实施例中，非接触式旋转装置同时非接触式地驱动三个目标物体300在超声换能器100的上方转动。并且，沿远离调制件200的方向，各目标物体300的转速依次降低。以图2所示为例，三个目标物体300从下到上同轴排布，并且，沿从下到上的方向，目标物体300受到涡旋声场驱动后的转动速度依次变慢，即，最靠近调制件200的目标物体300的转动速度最快，距离调制件200最远的目标物体300的转动速度最慢。
[0063]
在一些实施例中，如图2至图4所示，调制件200采用金属板、砖墙等不透声的材料制成，声波传输到不透声的材料上后，声波会被反射回去。调制件200上设有螺旋结构210的贯穿槽，以便于超声换能器100发出的平面波能够通过该螺旋结构210的贯穿槽穿过调制件200，进而形成具有多阶拓扑荷数的涡旋声场。螺旋结构210满足以下公式：
[0064][0065]
其中，r
α
为螺旋结构210的径向坐标，r0为螺旋结构210的初始半径，z为目标物体300距离调制件200的垂直距离，l为涡旋声场的拓扑荷数，λ为声波波长，α为螺旋结构210的角坐标，m为正整数。根据该公式可以得出：给定螺旋结构210和声源参数的情况下，拓扑荷数l与距离z有关。参考图3和图4所示，图3为r0＝3mm，z＝90mm，l＝1mm，λ＝0.75mm，m＝4时的螺旋结构210，图4为r0＝3mm，z＝10mm，l＝2mm，λ＝1.5mm，m＝1时的螺旋结构210。如图中可见，m为整数，决定了螺旋结构210的圈数。
[0066]
基于声波衍射作用原理，声波透过该螺旋结构210之后形成涡旋声场。螺旋结构210的形状决定了发射波之间的相位变化，进而决定了要产生的涡旋声场的拓扑荷数。本技术中的目标声场为空间不同位置处不同阶数的声涡旋场，涡旋场的特征为中心声强为0，该点为相位奇点，相位沿方位角θ螺旋分布，声场绕相位奇点一周有2πl的相位变换。在设计声场过程中，通过调整相位变化2πl实现声涡旋场。
[0067]
接下来，进一步诠释本技术中多阶涡旋声场的产生原理。如图5所示，图5中绘制了位于z＝0平面上的螺旋结构210，设定ρ
α
是从点(r
α
，α，0)到观测平面中心(0，0，z)的距离。如果一个平面波入射到螺旋缝上，从两个近点(r
α
，α)和(r
α δα
，α δα)传输的声波沿着夹角为δα的小缝经历不同的传播路径，到达观测平面的中心(0，0，z)。在(0，0，z)点处的相位差为δθ＝2πδρ/λ，又由于δρ＝lλδα/2π，则：
[0068][0069]
其中，l为一个常数。这意味着声束在观测平面上围绕旋转中心环绕一圈的相位差为2πl，即在观测平面的中心会有一个声涡旋，其拓扑荷数为l。ρ
α
是r
α
和距离z的函数，即由此，可以设计出螺旋结构210r
α
的表达式，透过该螺旋结构210形成的涡旋声场在空间不同位置处具有不同阶数的拓扑荷数。
[0070]
基于上述的螺旋结构210及其设计原理，通过数值模拟和实验验证来证明该非接
触式旋转装置的可行性。本实施例中设置了三组对照组，实施过程中以超声频率为2mhz，m＝4时的螺旋结构为例。第一组的目标物体300设置在距离调制件26mm的位置，该位置处声场的拓扑荷数为3；第二组的目标物体300设置在距离调制件40mm的位置，该位置处声场的拓扑荷数为2；第三组的目标物体300设置在距离调制件80mm的位置，该位置处声场的拓扑荷数为1；可以理解的，也可以通过先确定所需的拓扑荷数的数值后，再通过上述公式(1)计算出目标物体300应该放置的位置。
[0071]
如图6和图7所示分别为涡旋声场在z＝80mm、z＝40mm和z＝26mm处时的声强和相位的示意图。图6为计算机模拟的理论计算结果，图7为实验测量结果。图6和图7中声强场的白色区域代表声强的极大值处，黑色区域代表声强的极小值处，灰度越高声强越大。图6中相位场的黑色区域为相位的绝对值的极大值处，白色区域为相位的绝对值的极小值处，灰度越高相位越大。
[0072]
如图6所示，在z＝26mm的位置附近，涡旋声场的相位绕奇点中心一周变化了3次，表明其拓扑荷数为3；在z＝40mm的位置，涡旋声场的相位绕奇点中心一周变化了2次，表明其拓扑荷数为2；在z＝80mm的位置，涡旋声场的相位绕奇点中心一周变化了1次，表明其拓扑荷数为1；上述结果验证了螺旋结构210能够形成多阶涡旋声场的理论可行性。
[0073]
图6中理论计算的图示结果与图7中实验测量的图示结果基本保持一致，实验测量的结果与理论计算的结果相差无几，通过实验验证了螺旋结构210能够形成多阶涡旋声场的可行性。
[0074]
另一方面，继续通过实验验证拓扑荷数和物体旋转速度的关系。实验中使用聚二甲基硅氧烷(pdms)圆盘作为被操控的目标物体300，图8显示了目标物体300分别在z＝26mm、z＝40mm和z＝80mm处，即目标物体300分别位于三阶涡旋场、二阶涡旋场和一阶涡旋场中的旋转状态。图中横坐标为超声激励模块中功率放大器的电压值，纵坐标为目标物体旋转一周所用的时间。图中从上到下分别显示了目标物体300在非接触式旋转装置中，位于一阶声涡旋场、二阶涡旋声场和三阶声涡旋场旋转一周所用的时间。实验结果表明，目标物体在三阶涡旋声场中旋转速度最快，所用的时间最短；在二阶涡旋声场中旋转一圈所用的时间次之，在一阶涡旋声场中旋转一周所用的时间最长。可以得出，同等激励条件下，涡旋声场的阶数越高，声场中目标物体300的旋转速度越快。
[0075]
在另一些实施例中，通过使用声全息的方法实现空间不同位置处具有不同阶数的声涡旋场。全息技术的基础是对所需/预设波前的相位或者幅值进行空间存储，以便在适当的相干波照射时，该目标波前被重建。本实施例中使用声全息技术通过设计空间不同位置处的声涡旋场，计算得到调制件200的厚度，从而制造出调制件200，当平面波经过该调制件200后，可重建出空间不同位置处不同阶数的声涡旋场。具体的，如图9所示，调制件200由透声材料制成，透声材料指的是声波经过该种材料后，大部分的声波都能够从该材料中穿透，声波没有被该材料吸收或者反射，常见的透声材料有橡胶、树脂等。调制件200为厚度不均匀的结构，通过该种厚度不均匀的结构从而调控平面波的相位，以形成涡旋声场。调制件200的厚度满足以下公式：
[0076]
δt(x,y)＝δφ(x,y)/(k
m-kh)
ꢀꢀꢀ
(3)；
[0077]
其中，δt(x,y)为调制件200的任一位置的厚度，δφ(x,y)为该位置的相位分布，km为透声材料的波数，kh为传播介质的波数。该结构的调制件200能够根据迭代角谱法模拟
得出各个位置处的厚度，从而通过3d打印等技术制造成型。
[0078]
在另一些实施例中，如图10和图11所示，调制件由超表面制成。超表面由一系列分布在平面或曲面上的功能基元构成，通过在超表面上人工构建亚波长微结构，使其具备较好的调节波前的能力。具体的，在本实施例中，超表面上的不同位置处排列有微柱，超表面划分有多个超表面单元，各个超表面单元中微柱的体积分数并不相同，从而改变了超表面单元的等效声速，平面声波在经过超表面单元后，能够产生相位差，进而在调制件的另一侧产生涡旋声场。其中，微柱的体积分数满足以下公式：
[0079][0080]
其中，表示相位，cm声传播介质的声速，c
unit
为由微柱和介质构成超表面单元的等效声速，其中，c
unit
＝(b
unit
/ρ
unit
)
1/
，b
unit
为超表面单元的等效体模量，ρ
unit
为超表面单元的等效密度，f为平面波频率。图10为超表面调制件的示意图，图中超表面调制件中包含了9个超表面单元，每个超表面单元中微柱的体积分数不同，从而改变了声波的相位。图11展示了超表面单元中不同体积分数的微柱排列示意图。
[0081]
在一些实施例中，声波传播介质为液体，进而非接触式旋转装置包括容器400，容器400用于容置传播介质，目标物体300设置于容器400中，并漂浮于传播介质上，以借助浮力抵消目标物体300的重力，使目标物体300在竖直方向上处于平衡状态，该种结构的非接触式旋转装置由于无需考虑目标物体300重力的影响，能够实现较大规格的目标物体300的旋转驱动。超声换能器100和调制件200可以设置于浸没在液体中，由下至上发出声波；也可以设置于容器400以上，由上至下发出声波；或是设置于容器400以下，声波先经过容器400再由液体传播至目标物体300处。
[0082]
在一些实施例中，声波传播介质为气体，目标物体300、调制件200和超声换能器100沿从上到下的方向依次设置，当非接触式旋转装置处于工作状态时，能够驱动目标物体300悬浮于调制件200的上方，并进行旋转运动。可以理解的，声波在由下至上的传输过程中会携带有竖直方向上的动量，能够驱动目标物体300在竖直面上悬浮，又由于声波还携带有角动量，能够驱动目标物体300在水平面上旋转，本实施例的非接触式旋转装置在目标物体300旋转过程中，目标物体300处于悬浮旋转的状态，无需通过液体的声波传播介质提供浮力，也无需通过连接件吊起目标物体300，减少了目标物体300与其他部件接触的可能，进一步的降低了目标物体300与污染物接触的概率。可以理解的是，在本技术的其他实施例中，超声换能器100、调制件200和目标物体300也可以在水平方向上或其他方向的任一直线上依次设置，当非接触式旋转装置处于工作状态时，能够驱动目标物体300转动。
[0083]
在一些实施例中，非接触式旋转装置还包括连接件，连接件的一端与目标物体300连接于目标物体300的旋转中心处，另一端固定连接于外部结构，外部结构可以是机架等结构，连接件能够将目标物体300吊起，以使目标物体300呈悬吊状态。一方面能够施加给目标物体300向上的拉力以抵消重力，另一方面也能够避免目标物体300在旋转过程中偏移出声场范围。当目标物体300处于旋转状态时，连接件的轴向与目标物体300的旋转轴同轴设置。
[0084]
在一些实施例中，超声换能器100和调制件200连接，非接触式旋转装置还包括位置调节机构，位置调节机构能够调节超声换能器100和调制件200到目标物体300之间的距离，以调节目标物体300所在位置上涡旋声场的拓扑荷数。例如，在传播介质为液体，目标物
体300漂浮于液体上的实施例中，位置调节机构通过改变调制件200的位置，能够改变目标物体300所在位置上的涡旋声场。在另一些实施例中，也可以通过调节目标物体300的位置从而调节调制件200到目标物体300之间的距离，例如在设置有连接件的结构中，通过改变连接件的长度或是外部结构的高度从而能够实现目标物体300在竖直方向上高度的改变。
[0085]
在一些实施例中，目标物体300能够吸收声场中的角动量，以实现声场对目标物体300的旋转驱动。在一些相关技术中，将螺旋式的电极耦合至压电基板上，电极连接超声激励设备激发出涡旋声场，该种电极由于排布间距、生产工艺等原因往往尺寸较小，超声换能器100的输出功率受到电极的额定功率的限制，该种装置产生的涡旋声场的强度往往较小，只能用于微粒(尺寸量级在微米级别)的操控。在本技术实施例中，由于超声换能器100的作用为发出平面波，平面波经过调制件200后转换为涡旋声场，相较于直接生成涡旋声场而言，平面波的发出和产生更为容易，本技术实施例中的超声换能器100的输出功率不会受到电极大小的限制，进而能够实现更大尺寸和规格的目标物体300的操控。例如，在本实施例中，目标物体300的直径可以达到5mm以及5mm以上。
[0086]
如图12所示，本技术还提出了一种调制件200制备方法，具体包括以下步骤：
[0087]
s100在仿真模拟软件中建模出调制件，并定义所述调制件的参数，设定一个目标平面和一个发射平面，所述目标平面距离所述发射平面的距离为z，所述调制件位于所述发射平面上；
[0088]
在仿真模拟软件中定义调制件中声传播的速度、材料的密度、衰减系数等物理参数，以便于仿真结果更贴近于实验结果。并且，根据调制件的形状、尺寸等因素在调制件上生成单元网格，划分出多个单位基元。在后续模拟过程中，软件以各单位基元为单位进行计算和数据的提取，单位基元大小可以根据实验精度进行调整，单位基元越小时，计算机模拟能够得到更为精细的结果，反映到调制件200上，声波通过该调制件200后的声场能够更为逼近于目标涡旋声场。单位基元越大时，计算机的运算负荷会大大减少，但模拟出的结果可能会失真，导致最终的涡旋声场无法成型。
[0089]
s200构建沿第一方向传播并经过所述调制件的平面波声场和沿第二方向传播的迭代声场，所述第一方向和所述第二方向相反，所述平面波声场经过所述调制件后形成涡旋声场；
[0090]
传播过程可以用以下公式定义：
[0091][0092]
p(k
x
，ky，0)＝p(k
x
，ky，z)h(k
x
，ky，-z)
ꢀꢀꢀ
(6)；
[0093]
其中，p(k
x
，ky，0为发射平面的声压场、p(k
x
，ky，z为距发射平面为z的平面(目标平面)的角谱、h(k
x
，ky，-z)为传播函数，k
x
、ky为流体介质中波矢在x、y方向的分量。
[0094]
s300将所述迭代声场沿所述第二方向传播至所述调制件的所述发射平面；
[0095]
传播过程可以用以下公式定义：
[0096][0097]
s400提取所述发射平面上的振幅和相位信息，将所述涡旋声场的振幅调整为所述
发射平面上的振幅，并保留所述平面波声场的相位不变；
[0098]
s500将所述涡旋声场沿所述第一方向传播至所述目标平面；
[0099]
s600提取所述目标平面上的振幅和相位信息，将所述迭代声场的振幅调整为所述目标平面上的振幅，并保留所述迭代声场的相位不变；
[0100]
s700重复步骤s200至步骤s600，直至所述迭代声场收敛；
[0101]
s800提取收敛情况下所述迭代声场传播至所述发射平面的相位分布信息；
[0102]
s900根据所述相位分布信息计算出所述调制件的厚度分布信息；
[0103]
根据公式δt(x,y)＝δφ(x,y)/(k
m-kh)，其中km为流体介质中的波数，kh为相位板中的波数，可知在均匀介质中，声波传播经过均匀固体材料的声程与声波波前相位的变化量相关，因此发射平面的相位分布信息可以等效为构建声场调制结构所需材料的厚度分布。
[0104]
s1000制造所述调制件。
[0105]
制造调制件200的方法可以是注塑、3d打印、激光刻蚀等。对于实验工况下的调制件200，可能需要随实验进展不断调整调制件200的局部厚度，更适用于通过3d打印技术得到调制件200，生产成本相对较低、更改调制件200的生产参数较为容易。针对于大批量、成体系的生产制造，通过使用模具注塑形成更有利于提高效率。
[0106]
综上，本技术的非接触式旋转装置相较于现有技术中的有源相控技术而言，装置结构较为简单，整体装置造价较为便宜，能够被广泛应用于实验系统或工业制造中。相较于现有的无源相位调制技术而言，本实施例的非接触式旋转装置能够生成多阶拓扑荷数的声涡旋场，能够通过调节调制件200和目标物体300之间的距离实现对物体旋转速度的操控，更利于操作者根据需求选取合适阶数的声涡旋场施加于目标物体300上，操作起来更为灵活，能够有效减少操作者调节声学结构的从而获得目标声场的时间，提高实验操作或工业生产的效率。
[0107]
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。