可编程声波超表面对瞬态混响声场的调控

撰稿|王麒源，马冠聪

香港浸会大学马冠聪课题组对使用可编程声波超表面进行混响声场的有效调控进行了一系列研究，相关工作在2018年和2022年先后发表于期刊Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）[1]和 Physical Review Applied[2] 。

从宏观到微观，从经典到量子，复杂系统涉及到物理学研究的许多方面。而其中一种我们每天都会接触到的复杂系统，就是存在于房间、教室、办公室等室内空间里的混响声场。相比在开放空间中只存在自由传播的直达声场，在室内空间中，声音会被墙壁和各种物件多重散射，这些大量且无序的反射声会和直达声相互叠加干涉形成更加复杂的声场。如何有效地调控室内空间的混响声，在声学研究和应用中一直是一个重要的议题。 

传统的混响声场调控方式主要是通过摆放声学材料（吸声体、扩散板等）来塑造所需的声场。这一模式存在两大问题:一是传统的声学材料的尺寸需要与工作波长相匹配，也就会占据大量空间；而近年随着声学超材料和超表面的发展，这一问题已经很大程度上被克服。第二个问题是，传统的声学材料往往只具有一种固定的声学特性，即如果需要改变房间的声场，只能通过移动物件，甚至改变房间布局来实现。因此，一个问题产生了：我们能否在既不改变布局也不移动任何物件的情况下，改变一个房间的混响声场甚至声学性质呢？

1.空间声场调制器（SSM）

这个问题的一种解决方案，就是使用可调控、可编程的声波超表面。近年来，虽然已经有具备各种不同先进特性的声波超表面被提出，但它们大部分聚焦在有序、稳态的声场中的表现。这无疑离实际的应用场景有一定距离，因为日常生活中的各种声场大多是无序且瞬变的。如何使用声波超表面在更复杂的声场下进行调控这一问题，在其实用化的道路上无法避免。

因此，在2018年研究团队参考电磁波领域中的空间光调制器（Spatial Light Modulator/SLM）和空间微波调制器（Spatial Microwave Modulator/SMM），提出并设计了一款空间声场调制器（Spatial Sound Modulator/SSM），用于实现对混响声场的有效调控。它是一种以薄膜型声学超材料为单元构成的可编程声波超表面，其中每个单元能通过电磁铁的操控在两种共振模式中转换，从而可以在其工作频段内对透射的声波附加一个相位差。通过每一个单元对透射声的相位调控，SSM能够影响整个房间的模态分布，从而对房间内其他位置的局域声场产生影响。这一过程可以与光学系统中的波前整形（Wavefront Shaping）类比。

2.结果介绍

我们首先利用SSM实现了对稳态混响声场的自适应调控[1]。我们通过一个优化程序来控制SSM各个单元，达到了压制或是增强房间内一个选定位置在某一频率下的声场强度（局域声压幅值）的效果，且不需要手动对声源或是其他散射体进行任何调整。只需要对程序输入我们的调控目标，优化算法就会自主寻找能达到所需的效果的SSM最优态。下图展示了压制声强的实验结果，可以看到在经过SSM优化后，选定位置的声场强度产生了明显的减弱。类似地，我们同样也能对优化位置实现增益的效果。我们成功地利用混响声场中本应是缺点的无序性，从中挖掘出了可操控的自由度，为室内声学工程揭示了一条新的道路。

我们在最近的研究中进一步展示了SSM对宽频瞬态声场的有效调控[2]。实验上，我们在房间内发射出一个宽频的、短促的声脉冲，并尝试通过SSM改变特定位置脉冲响应（Impulse Response）的时域形态。主要实验的结果如下图所示，图中的每一个框内是优化位置附近声压幅值波包的场图，注意此处横轴是空间，纵轴是时间，图中表示优化前后波包幅值的比率。可以看到，SSM能够在不同的时间与位置，对脉冲响应实现明显的增益或压制。这一结果更大幅拉近了声波超表面与实际应用场景的距离。

除了实验论证以外，我们也对两种不同优化场景的工作机制进行了一系列探究。我们分别建立了适用于频域和时域的优化模型，它们的模拟结果都较好地匹配了实验结果。不论是在频域还是时域，SSM能够影响房间声场分布的关键在于，混响声场中每个位置的局域声场都是一系列独立分量的相干叠加，而每一个独立分量的场分布都是由房间总体的散射特性共同决定的。因此，通过改变房间部分的散射特性（即SSM的局域散射特性），我们能对其余位置或时间上的声场产生影响。我们的模型不仅能对实际应用的表现提供一个判断基准，也能对理解复杂系统中的物理机制有进一步的启发。

我们希望我们的工作能够为声波超表面的发展，以及混响声场的调控开辟一个新的方向。同时，我们期待不久的将来能够借由SSM突破目前的声场构建技术，实现例如自适应性的动态声学全息，含时的声景观等等先进的声学现象。

参考文献

[1] G. Ma, X. Fan, P. Sheng, and M. Fink, Shaping Reverberating Sound Fields with an Actively Tunable Metasurface, Proceedings of the National Academy of Sciences 115, 6638 (2018).

文章链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1801175115

[2] Q. Wang, P. del Hougne, and G. Ma, Controlling the Spatiotemporal Response of Transient Reverberating Sound, Phys. Rev. Applied 17, 044007 (2022).

文章链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.17.044007