[发明专利]基于角向超构表面的声涡旋分离器

权利要求书

1.一种基于角向超构表面的声涡旋分离器，其特征在于，所述声涡旋分离器包括中空设置的圆柱形波导及位于圆柱形波导内的相位渐变超构光栅，圆柱形波导的半径为R，相位渐变超构光栅的厚度为h，所述相位渐变超构光栅包括l^ξ组扇形超结构，每个扇形超结构的角宽度为θ＝2π/l^ξ，每个扇形超结构包括m组角宽度为θ₁＝θ/m的扇形单结构，每个扇形超结构的相移分布φ_j(θ)覆盖范围为2π，扇形超结构中相邻扇形单结构的相位差为φ_j＝2π/m；

所述扇形单结构包括第一扇形单元和第二扇形单元，所述第一扇形单元材质为由无法穿透声波的声硬材料，第二扇形单元的材料为阻抗匹配材料；

所述扇形超结构中不同第二扇形单元的折射率为：

n_j＝1+(j-1)λ/(m*h)，j＝1,2…m；

其中，λ为入射声波的波长，m为第二扇形单元的数目，h为第二扇形单元的厚度，j表示扇形超结构中第j个第二扇形单元，n_j表示第j个第二扇形单元的折射率；

所述声涡旋分离器满足：

其中，l^t、l^r分别为反射声涡旋和透射声涡旋的拓扑电荷，n为衍射阶数，lⁱⁿ为入射声涡旋的拓扑电荷，L为声波在反射面和透射界面之间的传播次数。

2.根据权利要求1所述的基于角向超构表面的声涡旋分离器，其特征在于，所述圆柱形波导的半径R＝0.64λ。

3.根据权利要求1所述的基于角向超构表面的声涡旋分离器，其特征在于，所述扇形单结构包括隔板及扇形谐振器，每个扇形谐振器包括若干行子谐振器，每个子谐振器包括若干亥姆霍兹谐振器和一个空腔，亥姆霍兹谐振器的壁厚为t，亥姆霍兹谐振器的内腔高度为w₀，子谐振器的高度为w，扇形超结构中不同扇形单结构中的w₀/w不同，以实现相邻扇形单结构的相位差为φ_j＝2π/m。

4.根据权利要求3所述的基于角向超构表面的声涡旋分离器，其特征在于，所述相位渐变超构光栅包括2组扇形超结构，每个扇形超结构包括5组角宽度为θ₁＝36°的扇形谐振器，每个扇形谐振器包括4行子谐振器，子谐振器的高度为w＝R/4，每个子谐振器包括4个亥姆霍兹谐振器和一个空腔，隔板尺寸为h×R×t。

5.根据权利要求4所述的基于角向超构表面的声涡旋分离器，其特征在于，所述扇形超结构包括依次分布的第一扇形谐振器、第二扇形谐振器、第三扇形谐振器、第四扇形谐振器及第五扇形谐振器，第一扇形谐振器、第二扇形谐振器、第三扇形谐振器、第四扇形谐振器及第五扇形谐振器中w₀/w逐渐减小。

6.根据权利要求5所述的基于角向超构表面的声涡旋分离器，其特征在于，所述第四扇形谐振器中亥姆霍兹谐振器的腔颈宽度小于其余扇形谐振器中亥姆霍兹谐振器的腔颈宽度。