Orbital angular momentum decomposition and evolution of nonlinear difference-frequency acoustic vortices

轨道角动量（orbital angular momentum，OAM）为声涡旋提供了区别于常规声束的角向模态自由度，但轴对称单模态描述难以反映复杂阵列差频声场的径向结构、模式纯度及传播演化。本文将共面阵列的孔径边界、阵元分布与幅相激励统一表征为源面复声压，通过基波OAM分解获得各阶模态的径向谱，并结合含吸收的基波传播和二阶差频虚源模型，建立差频声场的OAM分解与重构方法。仿真结果表明，拓扑荷只能表征角向相位绕转，不能唯一确定径向结构、峰值声压和模式纯度；相同差频拓扑荷下，不同基波模态组合仍可因径向幅相分布及空间重叠的差异而形成不同声场。传播过程中，模式纯度的变化反映目标阶次与寄生阶次相对谱权重的变化。三类代表性共面阵列的数值结果表明，所提方法能够再现完整虚源积分所得的主要声压和相位结构，可用于所考察条件下差频声涡旋的空间结构与传播演化分析。