在日常生活中，开放式办公室、会议室等室内环境中的多人同时交谈常常导致相互干扰，降低语音清晰度。这就是经典的“鸡尾酒会效应”——嘈杂环境里人脑能够选择性地专注于某个声源，但同时存在的多个声源会相互干扰，导致语音清晰度严重下降。对于依赖清晰音频传输的远程协作、会议系统而言，这一直是难以逾越的物理障碍。
室内空间本质上是复杂的声学谐振腔，声音在边界和物体间经历多次反射和散射，形成混乱的声场环境。
这种复杂性导致通信信道间产生严重串扰，直接影响语音清晰度和通信质量。与传统电磁通信不同，声学通信直接面向人类用户，无法依赖复杂的信号处理技术来消除干扰。
图1 实验环境与声学可重构超表面设计。房间的不规则形状和家具布置模拟了真实室内声场的复杂性，而超表面的可调谐单元通过机械结构实现声波相位的精确控制，为后续波场整形奠定基础。
研究团队开发的声学可重构超表面由200个独立可控的单元组成，每个单元都能在反射声波时提供0或π的二元相位切换。这种设计基于可调谐的亥姆霍兹谐振器，通过电动马达精确控制其共振频率，实现对反射声波的主动调控。超表面作为房间边界的一部分，通过改变局部边界条件来重塑整个室内声场。
研究的核心创新在于建立了声学信道矩阵模型，该矩阵精确描述了从多个声源到接收器之间的复杂传输关系。根据香农信息论，团队提出了两个关键指标：有效秩（衡量信道独立性）和对角化度（量化串扰水平）。
通过开发专门的优化算法，对超表面200个单元的状态进行全局搜索和调整，同时实现最大化信道容量和最小化信号串扰的目标。这一方法从根本上改变了传统声学处理的思路。
在概念验证实验中，团队首先在1300Hz频率点实现了双信道隔离。优化后期望信号强度提升2.8-4.6dB，串扰信号被压制18.4-20.7dB，效果显著。
图2 单频双信道优化隔离结果。该图从矩阵理论、复平面分析和时域信号多角度验证了波场整形的有效性。优化后信道矩阵接近对角化，且信号强度提升2.8-4.6dB，串扰抑制达18.4-20.7dB，证实了物理层信道隔离的可行性。
更突破性的成果是实现了频率复用信道调控。在1250Hz和1350Hz两个频率点上，同时实现了不同的信道隔离配置。这意味着单个超表面能够独立调控房间内不同的共振模态，为处理真实环境中的宽带语音信号奠定基础。
图3 双频复用信道调控。此实验突破了房间相干带宽的限制，实现了对不相关腔模的同步控制。频率分离远超相干带宽（±4Hz），体现了超表面在复杂频谱环境下的多自由度调控能力。
最具说服力的实验是同时播放两首不同音乐作品的成功演示。研究人员选取了包含三个音符的简单乐曲，通过对三个频率点的信道矩阵同时优化，实现了两首乐曲在相同空间内的无串扰并行播放。
优化后，两个麦克风分别只接收到了目标声源的信号，其频域和时域特征与原始音乐几乎一致。交叉相关函数峰值从0.4-0.5提升至0.9左右，接近原始音乐的自相关水平。
图4 无串扰音乐播放演示。多频率协同优化使两首音乐的时频特征在接收端完全分离，交叉相关度接近原始信号自相关水平，展现了技术在实际声学通信中的实用性。
研究还展示了不等数量声源和接收器的配置场景。在2×6的配置中，成功将六个麦克风分为两组，每组只接收特定声源的信号。在另一个4×2的复杂配置中，实现了每个麦克风对声源的不同"需求"：有的只接收单一源，有的需要接收双源，有的则被完全隔离。
图5 灵活多用户配置实验。通过定制化目标函数，系统能够适应不同应用场景的需求。
参考文献：Zhang, H., Wang, Q., Fink, M. et al. Optimizing multi-user indoor sound communications with acoustic reconfigurable metasurfaces. Nat Commun 15, 1270 (2024).
