潜艇声纳将迎革命？南京大学团队实现声波精细操控_风闻

        近日，南京大学物理学院声学研究所、人工微结构科学与技术协同创新中心在声波操控研究方面取得重要突破，最新研究成果以“Fine manipulation of sound via lossy metamaterials with independent and arbitrary reflection amplitude and phase” 为题发表在2018年4月24日的Nature Communications上 [Nature Communications, 9, Article number:1632(2018), doi:10.1038/s41467-018-04103-0]。论文的第一作者是南京大学博士生朱一凡，南京大学梁彬教授、程建春教授和华中科技大学祝雪丰教授为共同通讯作者。

        声学问题在本质上大都可归结为如何控制声波在空间中的分布方式。类比于光学的情形，声学曲面透镜或平面镜能够以最简单的方式改变空间声场，但在声学领域中存在大量需对空间声场实现各种复杂操控的重要场合。长期以来，三维声场的精细控制都是声学研究中的关键科学问题，在超声成像与治疗、声学通信及粒子操控等多个领域都具有重要的应用前景，例如高强度超声治疗需将声能高效聚集至肿瘤所在位置，水下声呐也必须发射特定形态的声束来实现长距离上的探测与通信，而在自然声场重建问题中则必须在聆听者周围产生立体声场方可获得身临其境的感受。传统方法通常使用大量电声器件构成的复杂阵列或具有特殊形状的人造结构来调控声波传播相位，达到声波操控的目的。然而，任意一个声信号包含幅值和相位信息，声波的完全控制要求能够对这两方面性质进行独立调制，迄今为止这仍然是一个具有挑战性的难题。此外，在不断追求声学器件的小型化的过程中，不可避免地伴随着声能量的耗散现象，而传统理论通常认为能量损耗的存在会破坏声波操控效果，因此现有的声波人工材料研究大都局限于无损耗的声学系统。

        程建春课题组提出了一种“反其道行之”的全新研究思路，通过以受控方式人为引入能量损耗，开辟了新的声波操控自由度，发展了损耗型声超材料的设计理论，首次实现了声波振幅和相位的解耦操控，并通过实验展示高质量单平面二维和多平面三维声全息生成等现象，证明了基于新机制的超材料对三维声场进行精细操控的能力。图1对比了幅度相位解耦调控（amplitude-phase modulation, APM）与传统的纯相位调控(phase modulation, PM)方法分别用于生成高复杂度声全息的表现，结果表明APM方法不仅避免了繁复的计算机优化设计过程，其效果亦明显优于传统方法。图2为多平面的三维声全息效果，数值和实验结果展示了损耗型超材料可在三个不同平面上分别投射字母“N”, “J”, “U”。与传统的纯相位声全息相比，基于振幅和相位解耦操控的声全息方法具有设计简便、成像质量好和保真度高等重要优势。

图1 新方法及传统方法产生的高复杂声全息的计算结果对比。(a,c) 为目标图案（北大楼照片及南大校徽图案）， (b,e)为APM方法得到的结果,(c,f)为传统PM方法得到的结果。

图2 (a) 多平面三维声全息示意图（b）数值计算及实验测量得到的三个平面的全息像。

        基于新原理的声超材料突破了传统声学技术的局限，为任意复杂空间声场的快速生成及精细操控提供了关键支持，在极大丰富声波调控的方式的同时显著降低了器件的设计难度与制备成本。相关成果对新型声学功能性器件的研制具有重要指导意义，并有望带来声学诊疗、探测及通信等方面应用技术的重大革新，例如该技术无需复杂的换能器阵列即可直接生成高复杂度的空间焦域及高质量的非衍射波束，及在不使用大量数目的声通道的情况下完成更接近真实环境中的立体声场重建等，从而显著提升超声治疗疗效及水下通信准确率，并为音频声学设计提供更简便高效的解决方案。

        该项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、南京大学登峰人才计划（B类）、江苏高校优势学科建设工程项目和南大博士研究生创新能力提升计划（A类）等项目支持。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-04103-0

文章来源：南京大学微信公众号