近日，华中科技大学物理学院声学超构材料与器件实验室团队在国际权威期刊Advanced Energy Materials 发表题为“Echo-vision: A Dual-Function Ultrasonic Platform for Acoustic Energy Harvesting and Varifocal Echo Imaging”的研究论文。该研究提出一种集声能采集与可变焦回波成像于一体的超声平台“Echo-vision”，通过声学超透镜与压电器件的协同设计，实现了能量采集与高分辨成像的双重功能，为超声系统的多功能集成与自供能应用提供了新的技术路径。论文共同第一作者为华中科技大学博士研究生林梓彬、胡豫、西北工业大学博士研究生刘积桢，共同通讯作者为华中科技大学祝雪丰教授、彭玉桂副教授和武汉轻工大学李彬教授。该工作得到了国家自然科学基金、华中科技大学交叉研究支持计划等项目的支持。
超声技术广泛应用于医学诊断、水下探测、工业检测与结构健康监测等领域。传统超声系统通常依赖外部电源供电，功能相对单一，成像焦距固定，难以在复杂环境下实现灵活调控。近年来，声能采集技术逐渐成为研究热点，利用压电效应将环境声能转化为电能，为低功耗设备提供供能方案。然而，现有声能采集装置多以提升能量转换效率为主要目标，尚未与成像系统实现深度结合。与此同时，超声成像系统在实现焦距调节时通常依赖复杂的相控阵控制或电子扫描，系统结构相对庞杂。如何在紧凑结构中实现声能采集与成像一体化，并实现多深度成像，是当前超声系统小型化与智能化发展的重要挑战。
双功能超声平台的结构设计
针对上述问题，研究团队提出了“Echo-vision”双功能超声平台（图1）。该平台由主动声学器件、可拉伸柔性超透镜以及机械虹膜构成，实现声场调控和声能采集的统一。其中主动声学器件负责实现声-电能量转换；可拉伸柔性超透镜用于调控入射声波的空间分布，实现声能聚焦与回波成像；机械虹膜结构则用于组装主动声学器件与超透镜并调节透镜的有效工作区域，从而改变焦距，实现可变焦成像功能。
图1. Echo-vision 系统的结构和装置示意图
声能采集与回波成像双功能实现
在声能采集模式下，超透镜实现入射声波的聚焦，使聚焦声场与主动声学器件的压电层实现精准匹配，增强其声能激励下的振动幅度，提高声-电转换效率。实验表明，该平台在水下环境中结合外部储能电路，为LED灯泡、微电机等低功耗电器提供电能支持（图2）。
图2. Echo-vision的声能采集性能。(A) 声能采集示意图。(B) 在1.5 MHz连续波与10周期tone-burst激励下的开路输出电压。(C) 不同负载阻抗下的输出电压与瞬时功率。(D) 整流充电电路及100、470、1000、3300 µF电容的电压-时间曲线，插图为对应充电功率。(E) 定制的声能采集电路板。(F) 声能采集实验装置。(G) 由Echo-vision供电的微型LED（熄灭/点亮）与微型电机（静止/旋转）实物图。
在回波成像模式下，通过旋转机械虹膜改变柔性超透镜的拉伸比，使系统焦距在一定范围内连续变化，从而适应不同成像距离的需求（图3）。成像实验结果表明，该系统在高集成结构条件下仍可实现优异的成像性能，横向分辨率达到0.8λ，纵向分辨率约为1λ（图4）。
图3. Echo-vision 系统的可变焦声学性能。(A) 机械虹膜驱动的可拉伸柔性声学透镜示意图，旋转驱动环带动超透镜径向拉伸。(B)不同旋转角度下的回波信号强度示意图，显示随拉伸变化的焦点位置带来不同强度的回波信号。(C)透镜焦距随拉伸比变化的测量结果。(D)不同拉伸比例下，在不同成像深度处的回波强度对比。
图4.Echo-vision系统的回波成像性能。(A) 成像示意图。(B)采用线宽0.4λ-2λ的线靶进行横向分辨率测试。(C) 对线宽1.6 mm的鱼骨结构目标进行回波成像。上图为成像板结构尺寸示意，中图为实测声强分布，下图为沿虚线I和II提取的强度分布曲线。(D) 三块沿声轴方向间隔1λ排列的平行成像板（线宽3 mm）的纵向分辨率测试结果。
Echo-vision平台在单一结构中实现了声能采集与回波成像两种功能模式的集成，避免了传统系统中功能分离与体积冗余的问题。通过结构调控实现焦距可变，为多场景应用提供了灵活性。在水下探测领域，该平台有望利用环境声场实现辅助功能，提高设备的独立运行能力；在可穿戴或植入设备中，可为低功耗传感系统提供补充电源支持；在分布式传感网络中，有助于降低外部电源的依赖，提升系统集成度。未来，研究团队将进一步优化透镜结构与系统集成，提高能量转换效率与成像精度，并探索阵列化集成方案，为构建自供能智能超声系统奠定基础。
论文信息
Z.-B. Lin, J.-Z. Liu, Y. Hu, et al. “ Echo-vision: A Dual-Function Ultrasonic Platform for Acoustic Energy Harvesting and Varifocal Echo Imaging.” Advanced Energy Materials (2026): e06618.
https://doi.org/10.1002/aenm.202506618
撰稿：课题组
