• 解决的问题：传统声波时空调制依赖笨重人工结构，难以实现高频响应与精确的时空可变声-物质交互，尤其在水下场景中缺乏高效手段调控声波频率与动量，制约了非互易传输、通信探测等应用。本文针对这一挑战，提出可实时编程的时空声超表面，突破静态超表面的互易性限制。
  

• 提出的方法：设计基于压电陶瓷阵列的反射式时空声超表面，通过现场可编程门阵列（FPGA）独立控制单元的时空相位。每个单元集成可调电容元件，通过电压调制实现相位动态调控，结合长序列离散相位编码策略，实现纳秒级相位更新，打破传统机械调制的响应局限。
  

• 实现的效果：实验验证了STAM对水声信号的多模式动态调控能力：通过时空相位编程实现模拟多普勒效应的线性频移调制，完成确定性时空调制下的频率-动量协同偏移，并基于随机时空调制策略实现单通道波达方向（DOA）估计，成功实现动态声源的实时追踪，验证了技术在水下环境中的有效性。
  

• 创新点：将压电阵列与FPGA结合，构建高频响应的时空声超表面，突破传统调制技术的响应延迟瓶颈。提出随机时空编码策略，通过相位序列设计在单接收通道下建立入射角与频率的直接映射，无需多传感器阵列即可实现DOA估计，显著降低系统复杂度与硬件成本。

• 研究成果以题为 “Acoustic Metasurface for Space-time Reflection Manipulation” 发表于《Advanced Science》上。中国科学院声学研究所Yunhan Yang为论文第一作者，中国科学院大学Han Jia、武汉大学Jiuyang Lu、Zhengyou Liu和中国科学院声学研究所Jun Yang为论文共同通讯作者。

• 摘要：时空调制技术彻底革新了波工程领域，为传统静态系统之外提供了前所未有的机遇。这一进步在从非互易传输到无线通信的众多领域都至关重要。然而，目前声波调制的方法需要庞大的人工结构，并且在实现时空可变的声波与物质相互作用方面存在局限性。在此，提出并实现了一种时空声学超表面（STAM）原型，由一个由现场可编程门阵列控制的反射压电阵列组成。利用 STAM 的时空可编程相位，实验上实现了类似多普勒的啁啾调制以及水声波的确定性频率和动量偏移的时空调制。此外，基于这种灵活高效的调制策略，引入了一种随机时空调制方法，展示了其在单通道到达方向估计中的应用。所提出的STAM拓展了波控制的前沿，从而为涉及声音的多种时空应用奠定了基础。
  

• 结论：开发了一种名为 STAM 的原型设备，其在反射过程中具有多种空间时间调制特性。利用压电元原子的快速响应能力和FPGA的高可编程性，我们的STAM能实现反射模式频率和动量的高精度偏移。通过在反射相位之间进行扫描，STAM生成线性频率偏移，模拟多普勒效应，并实现确定性的空间时间调制。长时间的相位控制还能为波检测实现随机空间时间调制。与传统的实时波达方向估计系统或其他基于超表面的方法不同，这些方法往往由于需要多个接收器和复杂的实时处理算法而面临成本挑战，而我们提出的随机方法利用了空间时间调制的固有模式转换特性。这种方法建立了从入射波矢量到观测频率的直接映射，显著降低了复杂性和硬件成本。通过采用长序列离散化策略，复杂的时空变化相位函数能够被直接编码为离散时间状态序列，从而显著降低了设计的复杂性，并增强了设计的灵活性。这种方法基于一般物理原理，可以很容易地扩展到其他波系统，如光学、电磁学和力学，以实现多功能反射控制和检测。所提出的STAM为全自由度声音传播控制开辟了新的途径，并突显了在未来的海洋探索、导航和无线通信方面具有显著的潜力。
  

图1：基于 STAM 的时空调制示意图。

图2：STAM 的设计与特性。

图3：时空调制实验设置与结果。

图4：随机时空调制的DOA估计实验。