基于三維超球面的聲學(xué)復(fù)眼裝置，可用于全向?qū)拵盘?hào)增強(qiáng)

導(dǎo)讀

西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院馬富銀教授課題組提出一種基于三維超球面的聲學(xué)復(fù)眼裝置。模仿對(duì)應(yīng)多個(gè)方向的昆蟲復(fù)眼系統(tǒng)，將多個(gè)梯度折射率的亞波長平板超表面聚焦透鏡在空間中組成超球面陣列。超球面復(fù)眼具備多方向聚焦能力和自由場抗干擾能力，可以將不同入射方向的聲信號(hào)聚焦并“吸入”由透鏡陣列圍成的空間中，具備多方向聚焦能力和自由場抗干擾能力。復(fù)眼陣列內(nèi)部的尺寸能夠控制干涉消減的頻帶，同時(shí)，各“子眼透鏡”的參數(shù)是一致的，各方向的信號(hào)間不存在明顯的相位差。這樣，從不同“子眼透鏡”入射并被聚焦的信號(hào)能夠在寬頻帶下進(jìn)一步匯聚并相互增強(qiáng)。復(fù)眼仿生結(jié)構(gòu)將以往超透鏡的設(shè)計(jì)從二維的單向超表面聚焦拓展到三維全向超球面聚焦，在保持了超表面亞波長厚度的同時(shí)，擺脫了超表面在空間和入射方向上的依賴性，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

相關(guān)研究成果以“一種用于全向?qū)拵盘?hào)增強(qiáng)的聲學(xué)復(fù)眼”（An acoustic compound eye for omnidirectional broadband signalenhancement）為題，在線發(fā)表在《InternationalJournal of Mechanical Sciences》[Int. J. Mech. Sci. 272, 109164, 2024]上。西安交通大學(xué)為第一作者單位和通訊單位，機(jī)械工程學(xué)院碩士生張昊為第一作者，馬富銀教授為通訊作者，中國船舶第715研究所杜鵬宇高級(jí)工程師、西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院楊志勃教授和碩士生王林波對(duì)論文提供了重要貢獻(xiàn)。

圖1超球面-復(fù)眼陣列設(shè)計(jì)概念圖（圖（a）和圖（b）由Timothy Dykes拍攝，由Unsplash免費(fèi)提供）

研究背景

隨著科技的不斷進(jìn)步，人們對(duì)于提高聲信號(hào)質(zhì)量的需求變得日益迫切。一方面，日常的通訊、音頻的錄制等活動(dòng)需要更高質(zhì)量的聲音接收設(shè)備；另一方面，海洋工程中的目標(biāo)探測和水聲通信期待能夠接收到更加詳細(xì)、距離更遠(yuǎn)的聲信號(hào)。聲聚能技術(shù)，是通過特定的波功能器件將聲波引導(dǎo)到特定區(qū)域，將較大區(qū)域的聲能壓縮到較小區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)聲能增強(qiáng)。近年來，隨著基于人工微結(jié)構(gòu)的聲子晶體、聲學(xué)超結(jié)構(gòu)等概念的發(fā)展，更多尺寸更加小巧、聚焦增益更大的聲聚能超透鏡被提出。然而，目前受到廣泛關(guān)注的聲學(xué)超表面大多只能應(yīng)用于垂直入射或者偏角入射的單方向入射情況，無法滿足在多方向入射環(huán)境下增強(qiáng)聲信號(hào)的需求。而現(xiàn)有的全向聚能器主要基于坐標(biāo)變換原理或時(shí)間反轉(zhuǎn)原理，這些聚能器大多需要一個(gè)復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)，這會(huì)導(dǎo)致制造復(fù)雜性增加和工作帶寬的限制。

為了提高聲學(xué)器件的空間適應(yīng)性和工作帶寬，最近，復(fù)眼仿生結(jié)構(gòu)走進(jìn)了聲學(xué)研究者的視野。不同于人類的單眼視覺系統(tǒng)，一些昆蟲的視覺器官是由多個(gè)“子眼”組成的復(fù)眼系統(tǒng)。在復(fù)眼系統(tǒng)中，每個(gè)“子眼”可以接收來自不同方位的信息，通過將子眼陣列組合可以獲得比單方位系統(tǒng)更多的信息。以復(fù)眼為原型的仿生結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛用于視覺相機(jī)的設(shè)計(jì)，多方位陣列的抗串?dāng)_能力也被應(yīng)用于移動(dòng)水聲通信領(lǐng)域。如果將聲學(xué)超表面作為對(duì)應(yīng)單方向聲信號(hào)的“子眼透鏡”，多個(gè)超表面在三維空間內(nèi)組合成超球面，就可以設(shè)計(jì)聲學(xué)復(fù)眼聚能器?？梢灶A(yù)見，由于具有球面結(jié)構(gòu)，聲學(xué)聚焦復(fù)眼能夠在三維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)多個(gè)入射方向的聚能效果，同時(shí)，復(fù)眼具備在自由場下的抗干擾能力，能夠克服超表面對(duì)于波導(dǎo)的依賴。

研究亮點(diǎn)

在之前的水聲聚焦超表面透鏡研究工作[Appl. Phys. Lett. 120, 121701, 2022]和[Appl. Acoust. 208, 109374, 2023]的基礎(chǔ)上，借助復(fù)眼仿生結(jié)構(gòu)的多方向接收能力和抗干擾能力，作者提出了基于三維超球面的聲學(xué)聚焦復(fù)眼。在復(fù)眼系統(tǒng)中，每個(gè)“子眼”可以接收來自不同方位的信息，通過將子眼陣列組合可以獲得比單方位系統(tǒng)更多的信息。將聲學(xué)超表面作為對(duì)應(yīng)單方向聲信號(hào)的“子眼透鏡”，多個(gè)超表面在三維空間內(nèi)組合成超球面，就可以設(shè)計(jì)聲學(xué)復(fù)眼聚能器。由于超透鏡的設(shè)計(jì)從基于二維截面設(shè)計(jì)的單方向聚焦拓展到了三維全向聚焦，這種超球面聚能器也將聲學(xué)超透鏡的應(yīng)用從波導(dǎo)環(huán)境拓展到了自由場環(huán)境。不同于受空間局限的傳統(tǒng)超表面和現(xiàn)有的復(fù)雜多層的全向聚能器，基于超球面的聲學(xué)聚焦復(fù)眼同時(shí)具備亞波長的厚度和復(fù)雜自由場入射條件下的寬帶連續(xù)聚焦性能。

首先，作者從單個(gè)“子眼透鏡”的設(shè)計(jì)入手，在三維空間內(nèi)對(duì)聲學(xué)復(fù)眼聚能器進(jìn)行了空間規(guī)劃和尺寸設(shè)計(jì)，如圖2所示。將多個(gè)外輪廓截面為正五邊形的單層平面聲學(xué)超表面作為“子眼透鏡”，在三維空間中組合陣列，拼湊成聲學(xué)超結(jié)構(gòu)類球體，即聲學(xué)超球面?？紤]到超表面對(duì)應(yīng)于中低頻特性的半徑尺寸，為了控制超球面總體尺寸，作者選擇了更加小巧、結(jié)構(gòu)較為簡單的正十二面體類球體結(jié)構(gòu)作為基本框架。這樣，相比較于“多多益善”的昆蟲復(fù)眼，復(fù)眼超球面的內(nèi)切球尺寸顯得更加可控。從結(jié)構(gòu)上來看，每個(gè)超表面的“子眼透鏡”均具備接收對(duì)應(yīng)入射方向的聲波并發(fā)生增強(qiáng)效果的能力。同時(shí)，陣列內(nèi)部的尺寸能夠控制干涉消減的頻帶。因此，從不同“子眼透鏡”入射并被聚焦的寬帶聲音信號(hào)之間能夠相互增強(qiáng)，從而在球心處形成穩(wěn)定的全向聚焦區(qū)域。

圖2聲學(xué)復(fù)眼全向聚焦陣列及計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可以看出，各頻率下超球面所在的區(qū)域都出現(xiàn)了明顯的焦點(diǎn)，其中球體內(nèi)部的聚焦主要是由構(gòu)成超球面的各超表面子眼透鏡的單向聚焦和協(xié)同相干作用引起，球體外部出現(xiàn)的亮圈主要來源于各個(gè)超表面單元的共振反射。相對(duì)于對(duì)照組，超球面在400-7000Hz內(nèi)的大部分頻帶下具備明顯的增強(qiáng)作用，最高增益達(dá)到28dB。其中，在1300Hz、2200Hz、3700Hz、5000Hz和6000Hz附近的增益超過了15dB，這說明在這些頻率下能量幅值增益超過了31倍?？傮w而言，復(fù)眼超球面所帶來的聲能量增益是寬頻且連續(xù)的。

接著，作者設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證超球面的聚焦性能。第一組實(shí)驗(yàn)為多方向聚焦實(shí)驗(yàn)，如圖3所示，通過時(shí)間反演法模擬空間內(nèi)的多方向入射聲波，驗(yàn)證超球面的多方向聚焦性能；第二組實(shí)驗(yàn)為單方向聚焦實(shí)驗(yàn)，如圖4所示，通過單方向聲波驗(yàn)證超球面的自由場寬帶聚焦性能。

多方向入射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相對(duì)于對(duì)照組，超球面在500-8000Hz內(nèi)的多個(gè)頻率下實(shí)現(xiàn)了明顯的全向聚焦效果，其中，超過一半的頻率的能量增益超過1.5倍，最高增益倍數(shù)超過22.6倍，平均增益為3.12倍。這表明，相對(duì)于超表面聚焦，超球面往往能夠制造更大范圍的聚焦波束，因此呈現(xiàn)出來的聚焦頻率范圍往往更寬，連續(xù)性也更好，這一點(diǎn)在自由場單方向入射的實(shí)驗(yàn)中更加明顯。

圖3超球面聲學(xué)復(fù)眼的多方向聚焦實(shí)驗(yàn)

多方向的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同位置的各測點(diǎn)，隨著位置的線性變化，在2000Hz以內(nèi)的聚焦倍數(shù)逐漸增強(qiáng)，聚焦頻帶逐漸拓寬，聚焦連續(xù)性逐漸優(yōu)化，這一趨勢表明了聚焦波束區(qū)域逐漸形成并完善的過程。在超球面復(fù)眼的末端開口位置，近乎5200Hz內(nèi)的全頻帶具備可觀的增益效果。在600-5200Hz下的全頻帶內(nèi)，相對(duì)于對(duì)照組，加設(shè)超球面接收到的聲信號(hào)具備明顯的增益效果。這表明，在自由場中的單方向入射情況下，超球面接收器能夠接收并且產(chǎn)生較大范圍的聚焦區(qū)域，在聚焦區(qū)域內(nèi)能出現(xiàn)寬頻帶連續(xù)的極大增益效果。

圖4 超球面聲學(xué)復(fù)眼的單方向聚焦實(shí)驗(yàn)

本論文設(shè)計(jì)的超球面相當(dāng)于平面超表面在三維全向入射環(huán)境下的相干共振集合體，一方面，超球面具備各個(gè)超表面單獨(dú)面對(duì)垂直入射波情況下的聚焦能力，另一方面，組成球面的各子眼透鏡單胞之間的相干共振也會(huì)產(chǎn)生對(duì)于聲波的增強(qiáng)作用，這使得超球面對(duì)自由場下的全向、單向入射聲波都具備寬頻帶下的聚焦效果，并且能形成一定范圍的聚焦區(qū)域。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超球面的聚焦區(qū)域的形成，都表現(xiàn)出了寬帶聲能增強(qiáng)效應(yīng)。

總結(jié)與展望

本論文設(shè)計(jì)了一種能實(shí)現(xiàn)三維全向?qū)拵曅盘?hào)聚集的聲學(xué)復(fù)眼聚能器。通過設(shè)計(jì)梯度折射率亞波長平面聲學(xué)超表面作為“子眼透鏡”，作者在三維空間內(nèi)構(gòu)建了正十二面體的類球面聲信號(hào)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。各子眼透鏡對(duì)應(yīng)不同入射方向的聲波信號(hào)，彼此之間通過相干共振進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅值的大幅提升。這種仿生結(jié)構(gòu)將以往超透鏡的設(shè)計(jì)從二維的單向超表面聚焦拓展到了三維的全向超球面聚焦，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜自由場入射條件下的全向高增益接收性能和寬帶連續(xù)聚焦性能，在水聲探測、音頻錄制等方面具有廣泛的工程應(yīng)用前景。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 52250287，No. 52241502）和陜西省杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 2024JC-JCQN-49）的支持。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2024.109164

審核編輯：劉清