潛艇聲納將迎革命？南京大學團隊實現聲波精細操控_風聞

        近日，南京大學物理學院聲學研究所、人工微結構科學與技術協同創新中心在聲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” 為題發表在2018年4月24日的Nature Communications上 [Nature Communications, 9, Article number:1632(2018), doi:10.1038/s41467-018-04103-0]。論文的第一作者是南京大學博士生朱一凡，南京大學梁彬教授、程建春教授和華中科技大學祝雪豐教授為共同通訊作者。

        聲學問題在本質上大都可歸結為如何控制聲波在空間中的分佈方式。類比於光學的情形，聲學曲面透鏡或平面鏡能夠以最簡單的方式改變空間聲場，但在聲學領域中存在大量需對空間聲場實現各種複雜操控的重要場合。長期以來，三維聲場的精細控制都是聲學研究中的關鍵科學問題，在超聲成像與治療、聲學通信及粒子操控等多個領域都具有重要的應用前景，例如高強度超聲治療需將聲能高效聚集至腫瘤所在位置，水下聲吶也必須發射特定形態的聲束來實現長距離上的探測與通信，而在自然聲場重建問題中則必須在聆聽者周圍產生立體聲場方可獲得身臨其境的感受。傳統方法通常使用大量電聲器件構成的複雜陣列或具有特殊形狀的人造結構來調控聲波傳播相位，達到聲波操控的目的。然而，任意一個聲信號包含幅值和相位信息，聲波的完全控制要求能夠對這兩方面性質進行獨立調製，迄今為止這仍然是一個具有挑戰性的難題。此外，在不斷追求聲學器件的小型化的過程中，不可避免地伴隨着聲能量的耗散現象，而傳統理論通常認為能量損耗的存在會破壞聲波操控效果，因此現有的聲波人工材料研究大都侷限於無損耗的聲學系統。

        程建春課題組提出了一種“反其道行之”的全新研究思路，通過以受控方式人為引入能量損耗，開闢了新的聲波操控自由度，發展了損耗型聲超材料的設計理論，首次實現了聲波振幅和相位的解耦操控，並通過實驗展示高質量單平面二維和多平面三維聲全息生成等現象，證明了基於新機制的超材料對三維聲場進行精細操控的能力。圖1對比了幅度相位解耦調控（amplitude-phase modulation, APM）與傳統的純相位調控(phase modulation, PM)方法分別用於生成高複雜度聲全息的表現，結果表明APM方法不僅避免了繁複的計算機優化設計過程，其效果亦明顯優於傳統方法。圖2為多平面的三維聲全息效果，數值和實驗結果展示了損耗型超材料可在三個不同平面上分別投射字母“N”, “J”, “U”。與傳統的純相位聲全息相比，基於振幅和相位解耦操控的聲全息方法具有設計簡便、成像質量好和保真度高等重要優勢。

圖1 新方法及傳統方法產生的高複雜聲全息的計算結果對比。(a,c) 為目標圖案（北大樓照片及南大校徽圖案）， (b,e)為APM方法得到的結果,(c,f)為傳統PM方法得到的結果。

圖2 (a) 多平面三維聲全息示意圖（b）數值計算及實驗測量得到的三個平面的全息像。

        基於新原理的聲超材料突破了傳統聲學技術的侷限，為任意複雜空間聲場的快速生成及精細操控提供了關鍵支持，在極大豐富聲波調控的方式的同時顯著降低了器件的設計難度與製備成本。相關成果對新型聲學功能性器件的研製具有重要指導意義，並有望帶來聲學診療、探測及通信等方面應用技術的重大革新，例如該技術無需複雜的換能器陣列即可直接生成高複雜度的空間焦域及高質量的非衍射波束，及在不使用大量數目的聲通道的情況下完成更接近真實環境中的立體聲場重建等，從而顯著提升超聲治療療效及水下通信準確率，併為音頻聲學設計提供更簡便高效的解決方案。

        該項工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、南京大學登峯人才計劃（B類）、江蘇高校優勢學科建設工程項目和南大博士研究生創新能力提升計劃（A類）等項目支持。

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-04103-0

文章來源：南京大學微信公眾號