基于三維超球面的聲學復眼裝置，可用于全向寬帶信號增強

導讀

西安交通大學機械工程學院馬富銀教授課題組提出一種基于三維超球面的聲學復眼裝置。模仿對應多個方向的昆蟲復眼系統，將多個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。復眼陣列內部的尺寸能夠控制干涉消減的頻帶，同時，各“子眼透鏡”的參數是一致的，各方向的信號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能夠在寬頻帶下進一步匯聚并相互增強。復眼仿生結構將以往超透鏡的設計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，擺脫了超表面在空間和入射方向上的依賴性，具有重要的工程應用價值。

相關研究成果以“一種用于全向寬帶信號增強的聲學復眼”（An acoustic compound eye for omnidirectional broadband signalenhancement）為題，在線發表在《InternationalJournal of Mechanical Sciences》[Int. J. Mech. Sci. 272, 109164, 2024]上。西安交通大學為第一作者單位和通訊單位，機械工程學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研究所杜鵬宇高級工程師、西安交通大學機械工程學院楊志勃教授和碩士生王林波對論文提供了重要貢獻。

圖1超球面-復眼陣列設計概念圖（圖（a）和圖（b）由Timothy Dykes拍攝，由Unsplash免費提供）

研究背景

隨著科技的不斷進步，人們對于提高聲信號質量的需求變得日益迫切。一方面，日常的通訊、音頻的錄制等活動需要更高質量的聲音接收設備；另一方面，海洋工程中的目標探測和水聲通信期待能夠接收到更加詳細、距離更遠的聲信號。聲聚能技術，是通過特定的波功能器件將聲波引導到特定區域，將較大區域的聲能壓縮到較小區域，從而實現聲能增強。近年來，隨著基于人工微結構的聲子晶體、聲學超結構等概念的發展，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，目前受到廣泛關注的聲學超表面大多只能應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境下增強聲信號的需求。而現有的全向聚能器主要基于坐標變換原理或時間反轉原理，這些聚能器大多需要一個復雜的多層結構，這會導致制造復雜性增加和工作帶寬的限制。

為了提高聲學器件的空間適應性和工作帶寬，最近，復眼仿生結構走進了聲學研究者的視野。不同于人類的單眼視覺系統，一些昆蟲的視覺器官是由多個“子眼”組成的復眼系統。在復眼系統中，每個“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更多的信息。以復眼為原型的仿生結構已經廣泛用于視覺相機的設計，多方位陣列的抗串擾能力也被應用于移動水聲通信領域。如果將聲學超表面作為對應單方向聲信號的“子眼透鏡”，多個超表面在三維空間內組合成超球面，就可以設計聲學復眼聚能器?？梢灶A見，由于具有球面結構，聲學聚焦復眼能夠在三維空間內實現對應多個入射方向的聚能效果，同時，復眼具備在自由場下的抗干擾能力，能夠克服超表面對于波導的依賴。

研究亮點

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]的基礎上，借助復眼仿生結構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聚焦復眼。在復眼系統中，每個“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更多的信息。將聲學超表面作為對應單方向聲信號的“子眼透鏡”，多個超表面在三維空間內組合成超球面，就可以設計聲學復眼聚能器。由于超透鏡的設計從基于二維截面設計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超透鏡的應用從波導環境拓展到了自由場環境。不同于受空間局限的傳統超表面和現有的復雜多層的全向聚能器，基于超球面的聲學聚焦復眼同時具備亞波長的厚度和復雜自由場入射條件下的寬帶連續聚焦性能。

首先，作者從單個“子眼透鏡”的設計入手，在三維空間內對聲學復眼聚能器進行了空間規劃和尺寸設計，如圖2所示。將多個外輪廓截面為正五邊形的單層平面聲學超表面作為“子眼透鏡”，在三維空間中組合陣列，拼湊成聲學超結構類球體，即聲學超球面?？紤]到超表面對應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、結構較為簡單的正十二面體類球體結構作為基本框架。這樣，相比較于“多多益善”的昆蟲復眼，復眼超球面的內切球尺寸顯得更加可控。從結構上來看，每個超表面的“子眼透鏡”均具備接收對應入射方向的聲波并發生增強效果的能力。同時，陣列內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之間能夠相互增強，從而在球心處形成穩定的全向聚焦區域。

圖2聲學復眼全向聚焦陣列及計算結果

從計算結果可以看出，各頻率下超球面所在的區域都出現了明顯的焦點，其中球體內部的聚焦主要是由構成超球面的各超表面子眼透鏡的單向聚焦和協同相干作用引起，球體外部出現的亮圈主要來源于各個超表面單元的共振反射。相對于對照組，超球面在400-7000Hz內的大部分頻帶下具備明顯的增強作用，最高增益達到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，復眼超球面所帶來的聲能量增益是寬頻且連續的。

接著，作者設計了兩組實驗來驗證超球面的聚焦性能。第一組實驗為多方向聚焦實驗，如圖3所示，通過時間反演法模擬空間內的多方向入射聲波，驗證超球面的多方向聚焦性能；第二組實驗為單方向聚焦實驗，如圖4所示，通過單方向聲波驗證超球面的自由場寬帶聚焦性能。

多方向入射的實驗結果顯示，相對于對照組，超球面在500-8000Hz內的多個頻率下實現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，最高增益倍數超過22.6倍，平均增益為3.12倍。這表明，相對于超表面聚焦，超球面往往能夠制造更大范圍的聚焦波束，因此呈現出來的聚焦頻率范圍往往更寬，連續性也更好，這一點在自由場單方向入射的實驗中更加明顯。

圖3超球面聲學復眼的多方向聚焦實驗

多方向的實驗結果表明，在不同位置的各測點，隨著位置的線性變化，在2000Hz以內的聚焦倍數逐漸增強，聚焦頻帶逐漸拓寬，聚焦連續性逐漸優化，這一趨勢表明了聚焦波束區域逐漸形成并完善的過程。在超球面復眼的末端開口位置，近乎5200Hz內的全頻帶具備可觀的增益效果。在600-5200Hz下的全頻帶內，相對于對照組，加設超球面接收到的聲信號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生較大范圍的聚焦區域，在聚焦區域內能出現寬頻帶連續的極大增益效果。

圖4 超球面聲學復眼的單方向聚焦實驗

本論文設計的超球面相當于平面超表面在三維全向入射環境下的相干共振集合體，一方面，超球面具備各個超表面單獨面對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產生對于聲波的增強作用，這使得超球面對自由場下的全向、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域。仿真和實驗驗證了超球面的聚焦區域的形成，都表現出了寬帶聲能增強效應。

總結與展望

本論文設計了一種能實現三維全向寬帶聲信號聚集的聲學復眼聚能器。通過設計梯度折射率亞波長平面聲學超表面作為“子眼透鏡”，作者在三維空間內構建了正十二面體的類球面聲信號增強結構。各子眼透鏡對應不同入射方向的聲波信號，彼此之間通過相干共振進一步實現信號幅值的大幅提升。這種仿生結構將以往超透鏡的設計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，實現了復雜自由場入射條件下的全向高增益接收性能和寬帶連續聚焦性能，在水聲探測、音頻錄制等方面具有廣泛的工程應用前景。

該工作得到了國家自然科學基金項目（No. 52250287，No. 52241502）和陜西省杰出青年科學基金項目（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