自由空间超声马达

由于声学相控阵常常受限于其调制精度和空间采样率等问题，构建高纯度声OAM波束成为一大挑战。在"直接设计"方法中，从一组已知的初始条件、约束和控制方程开始，通过求解这些方程来预测系统的结果或行为。但因为前述硬件系统的限制问题，采用直接方法构建的OAM波束纯度较低。而"逆向设计"方法从最终目标开始，反向求解以寻找匹配结果的条件。通过引入逆向设计的方案，可以从声强均匀度和信噪比等方面指导OAM波束的构建。算法迭代地优化发射阵列上的相位分布以获得更高质量的OAM波束。逆向设计方法对于关系不明确、复杂、非线性系统尤为有效。它具有很高的适应性，并可以高效地探索广泛的参数空间以找到优化的解决方案。

图1 为超声旋转器设计的高纯度OAM波束

相比传统方法，该研究采用逆向优化设计的策略实现了超高纯度的声OAM构建，在不同阶数下均实现了更优的构建效果。该研究不仅在仿真上验证了高纯度的OAM构建效果，在实验中也实现了高纯度的OAM构建。与正向设计的结果（图2）相比，逆向优化的声涡旋（图3）“甜甜圈”强度分布更加精确，具有清晰的涡旋中心声强极小值和更圆更均匀的声强极大值，为后续更稳定的粒子控制奠定了基础，同时也可为高速声OAM复用通信提供有力支持。

图2 传统设计的OAM声场图

图3 逆向优化的OAM声场图

为评估声OAM波束的构建质量，该研究从声压均匀度和OAM频谱分量出发进行分析，引入了变异系数和信噪比等参数进行定量分析。结果显示在OAM模式的均匀度上提高了约14％，信噪比提高了约12dB。

图4 OAM质量的定量分析

利用OAM携带的轨道角动量，声OAM能够实现对粒子旋转的控制。然而传统设计方法构建出的OAM纯度较低，无法实现稳定的粒子旋转控制。如图5所示，借助逆向设计构建出的高纯度OAM，展示出高稳定性、高一致性的粒子旋转控制效果（视频1右）。而在基于传统设计方法的系统中，从粒子轨迹图可以看出，粒子旋转轨迹偏离预设的圆形，且无法形成稳定操控，每个周期中粒子轨迹均不一致，甚至出现粒子陷在局域点的现象（视频1左）。

图5 声涡旋操控下的粒子轨迹图

视频1 粒子操控效果对比。左为传统方法效果，右为逆向优化设计的效果。