基于三维超球面的声学复眼装置，可用于全向宽带信号增强

导读

西安交通大学机械工程学院马富银教授课题组提出一种基于三维超球面的声学复眼装置。模仿对应多个方向的昆虫复眼系统，将多个梯度折射率的亚波长平板超表面聚焦透镜在空间中组成超球面阵列。超球面复眼具备多方向聚焦能力和自由场抗干扰能力，可以将不同入射方向的声信号聚焦并“吸入”由透镜阵列围成的空间中，具备多方向聚焦能力和自由场抗干扰能力。复眼阵列内部的尺寸能够控制干涉消减的频带，同时，各“子眼透镜”的参数是一致的，各方向的信号间不存在明显的相位差。这样，从不同“子眼透镜”入射并被聚焦的信号能够在宽频带下进一步汇聚并相互增强。复眼仿生结构将以往超透镜的设计从二维的单向超表面聚焦拓展到三维全向超球面聚焦，在保持了超表面亚波长厚度的同时，摆脱了超表面在空间和入射方向上的依赖性，具有重要的工程应用价值。

相关研究成果以“一种用于全向宽带信号增强的声学复眼”（An acoustic compound eye for omnidirectional broadband signalenhancement）为题，在线发表在《InternationalJournal of Mechanical Sciences》[Int. J. Mech. Sci. 272, 109164, 2024]上。西安交通大学为第一作者单位和通讯单位，机械工程学院硕士生张昊为第一作者，马富银教授为通讯作者，中国船舶第715研究所杜鹏宇高级工程师、西安交通大学机械工程学院杨志勃教授和硕士生王林波对论文提供了重要贡献。

图1 超球面-复眼阵列设计概念图（图（a）和图（b）由Timothy Dykes拍摄，由Unsplash免费提供）

研究背景

随着科技的不断进步，人们对于提高声信号质量的需求变得日益迫切。一方面，日常的通讯、音频的录制等活动需要更高质量的声音接收设备；另一方面，海洋工程中的目标探测和水声通信期待能够接收到更加详细、距离更远的声信号。声聚能技术，是通过特定的波功能器件将声波引导到特定区域，将较大区域的声能压缩到较小区域，从而实现声能增强。近年来，随着基于人工微结构的声子晶体、声学超结构等概念的发展，更多尺寸更加小巧、聚焦增益更大的声聚能超透镜被提出。然而，目前受到广泛关注的声学超表面大多只能应用于垂直入射或者偏角入射的单方向入射情况，无法满足在多方向入射环境下增强声信号的需求。而现有的全向聚能器主要基于坐标变换原理或时间反转原理，这些聚能器大多需要一个复杂的多层结构，这会导致制造复杂性增加和工作带宽的限制。

为了提高声学器件的空间适应性和工作带宽，最近，复眼仿生结构走进了声学研究者的视野。不同于人类的单眼视觉系统，一些昆虫的视觉器官是由多个“子眼”组成的复眼系统。在复眼系统中，每个“子眼”可以接收来自不同方位的信息，通过将子眼阵列组合可以获得比单方位系统更多的信息。以复眼为原型的仿生结构已经广泛用于视觉相机的设计，多方位阵列的抗串扰能力也被应用于移动水声通信领域。如果将声学超表面作为对应单方向声信号的“子眼透镜”，多个超表面在三维空间内组合成超球面，就可以设计声学复眼聚能器。可以预见，由于具有球面结构，声学聚焦复眼能够在三维空间内实现对应多个入射方向的聚能效果，同时，复眼具备在自由场下的抗干扰能力，能够克服超表面对于波导的依赖。

研究亮点

在之前的水声聚焦超表面透镜研究工作[Appl. Phys. Lett. 120, 121701, 2022]和[Appl. Acoust. 208, 109374, 2023]的基础上，借助复眼仿生结构的多方向接收能力和抗干扰能力，作者提出了基于三维超球面的声学聚焦复眼。在复眼系统中，每个“子眼”可以接收来自不同方位的信息，通过将子眼阵列组合可以获得比单方位系统更多的信息。将声学超表面作为对应单方向声信号的“子眼透镜”，多个超表面在三维空间内组合成超球面，就可以设计声学复眼聚能器。由于超透镜的设计从基于二维截面设计的单方向聚焦拓展到了三维全向聚焦，这种超球面聚能器也将声学超透镜的应用从波导环境拓展到了自由场环境。不同于受空间局限的传统超表面和现有的复杂多层的全向聚能器，基于超球面的声学聚焦复眼同时具备亚波长的厚度和复杂自由场入射条件下的宽带连续聚焦性能。

首先，作者从单个“子眼透镜”的设计入手，在三维空间内对声学复眼聚能器进行了空间规划和尺寸设计，如图2所示。将多个外轮廓截面为正五边形的单层平面声学超表面作为“子眼透镜”，在三维空间中组合阵列，拼凑成声学超结构类球体，即声学超球面。考虑到超表面对应于中低频特性的半径尺寸，为了控制超球面总体尺寸，作者选择了更加小巧、结构较为简单的正十二面体类球体结构作为基本框架。这样，相比较于“多多益善”的昆虫复眼，复眼超球面的内切球尺寸显得更加可控。从结构上来看，每个超表面的“子眼透镜”均具备接收对应入射方向的声波并发生增强效果的能力。同时，阵列内部的尺寸能够控制干涉消减的频带。因此，从不同“子眼透镜”入射并被聚焦的宽带声音信号之间能够相互增强，从而在球心处形成稳定的全向聚焦区域。

图2 声学复眼全向聚焦阵列及计算结果

从计算结果可以看出，各频率下超球面所在的区域都出现了明显的焦点，其中球体内部的聚焦主要是由构成超球面的各超表面子眼透镜的单向聚焦和协同相干作用引起，球体外部出现的亮圈主要来源于各个超表面单元的共振反射。相对于对照组，超球面在400-7000Hz内的大部分频带下具备明显的增强作用，最高增益达到28dB。其中，在1300Hz、2200Hz、3700Hz、5000Hz和6000Hz附近的增益超过了15dB，这说明在这些频率下能量幅值增益超过了31倍。总体而言，复眼超球面所带来的声能量增益是宽频且连续的。

接着，作者设计了两组实验来验证超球面的聚焦性能。第一组实验为多方向聚焦实验，如图3所示，通过时间反演法模拟空间内的多方向入射声波，验证超球面的多方向聚焦性能；第二组实验为单方向聚焦实验，如图4所示，通过单方向声波验证超球面的自由场宽带聚焦性能。

多方向入射的实验结果显示，相对于对照组，超球面在500-8000Hz内的多个频率下实现了明显的全向聚焦效果，其中，超过一半的频率的能量增益超过1.5倍，最高增益倍数超过22.6倍，平均增益为3.12倍。这表明，相对于超表面聚焦，超球面往往能够制造更大范围的聚焦波束，因此呈现出来的聚焦频率范围往往更宽，连续性也更好，这一点在自由场单方向入射的实验中更加明显。

图3 超球面声学复眼的多方向聚焦实验

多方向的实验结果表明，在不同位置的各测点，随着位置的线性变化，在2000Hz以内的聚焦倍数逐渐增强，聚焦频带逐渐拓宽，聚焦连续性逐渐优化，这一趋势表明了聚焦波束区域逐渐形成并完善的过程。在超球面复眼的末端开口位置，近乎5200Hz内的全频带具备可观的增益效果。在600-5200Hz下的全频带内，相对于对照组，加设超球面接收到的声信号具备明显的增益效果。这表明，在自由场中的单方向入射情况下，超球面接收器能够接收并且产生较大范围的聚焦区域，在聚焦区域内能出现宽频带连续的极大增益效果。

图4 超球面声学复眼的单方向聚焦实验

本论文设计的超球面相当于平面超表面在三维全向入射环境下的相干共振集合体，一方面，超球面具备各个超表面单独面对垂直入射波情况下的聚焦能力，另一方面，组成球面的各子眼透镜单胞之间的相干共振也会产生对于声波的增强作用，这使得超球面对自由场下的全向、单向入射声波都具备宽频带下的聚焦效果，并且能形成一定范围的聚焦区域。仿真和实验验证了超球面的聚焦区域的形成，都表现出了宽带声能增强效应。

总结与展望

本论文设计了一种能实现三维全向宽带声信号聚集的声学复眼聚能器。通过设计梯度折射率亚波长平面声学超表面作为“子眼透镜”，作者在三维空间内构建了正十二面体的类球面声信号增强结构。各子眼透镜对应不同入射方向的声波信号，彼此之间通过相干共振进一步实现信号幅值的大幅提升。这种仿生结构将以往超透镜的设计从二维的单向超表面聚焦拓展到了三维的全向超球面聚焦，实现了复杂自由场入射条件下的全向高增益接收性能和宽带连续聚焦性能，在水声探测、音频录制等方面具有广泛的工程应用前景。

该工作得到了国家自然科学基金项目（No. 52250287，No. 52241502）和陕西省杰出青年科学基金项目（No. 2024JC-JCQN-49）的支持。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2024.109164

审核编辑：刘清