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Reflective vortex focusing for acoustic contact-free object rotation

涡流 旋转(数学) 声学 物理 对象(语法) 光学 经典力学 几何学 计算机科学 数学 机械 人工智能
作者
Yongdu Ruan,Jing Zhu,Qinhao Lin,Yuqi Wang,Dikui Zhou,Shaobo Wang,Chong Li,Junhui Shi,Ruimin Chen
出处
期刊:Journal of Sound and Vibration [Elsevier BV]
卷期号:581: 118380-118380 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.jsv.2024.118380
摘要

The use of acoustic vortex waves with angular momentum is a promising means of transferring mechanical torque to an object without making any physical contact. However, the existing passive-conversion vortex lenses are unable to produce strong acoustic radiation torque. To address this issue, we propose a flat reflector sculpted by spiral grooves. It reflects and converts incident waves into vortex-focusing waves that generate radiation torque. Compared with a transmission-type lens, a reflection-type vortex focusing plate exhibits superior functionality in converging sound waves and creating a stronger circular intensity flow. In this work, we analyze the vortex-focusing sound by Rayleigh-Sommerfeld integral theory and boundary element simulation, confirmed by experiments. The number, depth and direction of spiral grooves determine the topological charge, focusing intensity and torque direction, respectively. We evaluate the local and total acoustic radiation forces and torques, acting on small and large fixed spherical targets in the vortex-focusing beam. As a result, spinning a centimeter-size origami pinwheel several times larger than the wavelength at 40 kHz is realized without direct contact, by utilizing the enhanced acoustic radiation torque converged by the reflector. This technology enables efficient convergence of acoustic waves and simultaneous contactless transfer of mechanical torque to an object, thereby presenting potential applications in sound energy harvesting and wireless power supplies.
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