IJMS | 具有抗干扰、低色散和宽带增益的全向声学复眼

声信号作为唯一可在水下、固体与气体介质中远距离传播的机械波，声信号的高效传输在各种声学技术中尤为重要。然而在经典声学理论中，在自由场环境下，其幅值由于几何扩散和损耗而减小，严重限制了声信号的远距离传播。声学聚能器作为一种收集声信号的装置，可以通过特定的结构以及物理现象将声波引导到特定的区域，并将来自较大空间的声能压缩到较小的区域，从而实现声能增强，提高声信号的远距离通信能力。但传统的声学聚能器由于主要以声学透镜的原理实现功能，不仅尺寸太大而且存在严重的声学衰减问题，难以满足小尺寸、低频声学器件的要求。因此，目前的新型声学聚能器主要通过具有梯度变化参数的声学黑洞引导声波聚集或者利用声学超透镜实现声波的定向传播。但是，这些新型声学聚能器由于相干相消作用和色散问题并不能实现宽带高增益，且严重依赖于波导和环境条件，难以应用于复杂的海洋环境。

对此，论文提出一种受昆虫复眼启发的双机制协同设计策略，并设计出了一种不受外界环境影响且性能稳定的声学复眼。一方面，双机制的设计使得声学复眼内部声场均匀分布，避免了信号之间的相干相消，突破了聚能器受背景介质限制以及增益不稳定问题。另一方面，声学复眼内部的封闭结构使得其完全摆脱波导的依赖，具有出色的抗干扰性能和低故障率，适用于各种复杂环境。它不仅能为来自不同方向的连续声波信号提供稳定的增强能力，而且在自由场中对微弱的单声源信号也有出色的捕捉能力。

论文提出一种受昆虫复眼启发的双机制协同设计策略，将外层的声学超透镜作为仿生复眼的“晶状体”实现声信号的高效聚焦；将内部的声学黑洞型渐缩通道作为“光感受器”进一步将声信号低损耗地诱导至聚能区域，通过这种设计策略解决了入射信号之间近场干扰带来的带宽变窄与增益波动显著的问题。首先设计了空气全向声学复眼。最外层的声学超透镜单元具有高透射率且等效折射率呈现梯度形式，实现声波的聚集。内部的渐缩型声学通道进一步引导声波达到聚能区域。声学复眼内部具有均匀声场，尤其是中心聚能区域高声压幅值分布均匀，这表明声学复眼避免了信号间的相干相消作用导致的内部形成复杂声场从而产生极端高/低声压区域。而全向声学复眼外部由于单元之间的共振反射不可避免地出现高声能区域，但外部复杂的声场并不会影响到内部的聚能区域。这种在设计频段内稳定且连续的增益能力是实际工程应用中更需要的，从而确保装置在复杂环境下的低故障率和高抗干扰能力。此外，空气全向声学复眼可以使自由场中原本0.068的归一化幅值增强到0.552，实现了8倍幅值增益。这表明所设计的全向声学复眼不仅具备自由场下全方位的声波聚集，而且对于自由场中的单声源微弱声信号具有很好的捕获能力。

图2 空气全向声学复眼。(a) 空气全向声学复眼的整体结构。(b) 声学超透镜中各单元的等效折射率。(c) 声学超透镜中各单元的透射系数。(d) 空气全向声学复眼的全向声波模拟声场。(e) 空气全向声学复眼的模拟增益。(f) 单声源模拟中对照组的归一化声压分布场。（g）空气全向声学复眼在单声源模拟中的归一化声压分布场。

为了验证空气全向声学复眼的声能聚集能力，进行了全向聚能实验和单声源实验测试。在全向聚能实验中，将对照组声压和全向声学复眼聚能区域测量声压对比，聚能区域声压均高于对照组声压。此外，分别展示了对照组声压和聚能区域测量声压的时域和频域信号，聚能区域声压的归一化幅值均高于对照组声压，而且频域信号展示出全向声学复眼不仅仅在所展示的频带范围（1000-2000Hz）内具有优异的增益能力，对于其他频带也有不同程度的增益（500-8000Hz）。在单声源实验中，实验结果和模拟具有相同的趋势，可见全向声学复眼对于单声源信号同样具有稳定的增益能力，最高可达15dB。不管是全向声信号还是单声源信号，宽带稳定高增益的性能表明设计的声学复眼不受相位的限制，避免了信号间的干涉和色差的产生。

图3 空气全向声学复眼的实验结果。(a) 全向聚能实验示意图（所有声源距离声学复眼1米）。(b) 全向聚能实验中能量集中区域（红色）与对照组（蓝色）测量的归一化声压对比。(c) 全向聚能实验中声学复眼的实验增益。(d) 全向聚能实验中对照组（蓝色）和能量集中区域（红色）的时域和频域信号。(e) 单声源实验示意图（声源距离声学复眼1米）。(f) 单声源测试中全向声学复眼的模拟（Sim.）和实验（Exp.）增益。(g) 单声源测试中对照组（蓝色）和能量集中区域（红色）的时域和频域信号。

由于水与空气介质中声速及波长参数的显著差异，所设计的结构尺寸、实验条件和设备均有着不同程度的差别，这使得大多数的空气声学聚能器在水中基本没有作用。尽管有一些水下声学聚能方面的研究，但是由于水下设计存在诸多限制导致聚能效果及工作带宽均不理想。为了证明该设计策略不受背景介质限制，还设计了水下全向声学复眼。该水下全向声学复眼同样由声学超透镜区域（晶状体），声学黑洞型渐缩通道区域（光感受器）和中心聚能区域组成。组成声学超透镜的四个单元具有高透射率且等效折射率呈现梯度形式。水下全向声学复眼的聚能区域在每个频率上均保持着高声压幅值，说明全向声学复眼能实现水下的声波全向聚集。且聚能区域的声压幅值并没有出现不均匀的复杂声场。由于内部结构的设计防止信号间干涉形成复杂声场从而在中心聚能区域实现均匀的高压声场，具有低色散性能。值得注意的是，由于全向聚能模拟中入射波为球面波，所以会在自由空间的球心（全向声学复眼上方）不可避免地出现高声能区域，但在图4(d)中的子图(II)中高声能区域完全被全向声学复眼所“吸引”，导致这种反常现象的原因可能是整体结构的柔性耦合共振行为，这进一步提升了声学复眼对水声信号的操控能力，实现三维全向声学复眼从空气声到水声的拓展。同样进行了单声源自由场的模拟，未放置全向声学复眼时，在测试点检测到的归一化幅值仅为0.063。当全向声学复眼放置在测试点后，归一化幅值高达0.453，在水下自由场中实现7倍幅值增益。这种在自由场环境下的声能增强能力在水下通信、仿生声呐系统以及微弱音频录制等领域具备潜在应用价值。

图4 水下全向声学复眼。(a) 水下全向声学复眼的整体结构。(b) 声学超透镜中各单元的等效折射率。(c) 声学超透镜中各单元的透射系数。(d) 水下全向声学复眼的全向声波模拟声场。(e) 水下全向声学复眼的模拟增益。(f) 单声源模拟中对照组的归一化声压分布场。（g）水下全向声学复眼在单声源模拟中的归一化声压分布场。

为了验证水下全向声学复眼的声能聚集能力，进行了实验测试。由于水下实验条件的限制以及水下声学通道数量不足，这里仅做水下单声源自由场实验，实验场景是铺满吸声衬的消声水池（20×8×7（m×m×m））。结果表明，聚能区域的声压均高于对照组声压，最高增益接近20dB，验证了水下全向声学复眼拥有对连续声信号的增益能力。但实验发现，水下全向声学复眼的稳定聚能频带发生偏移，且增益效果并没有空气中那么稳定。导致这种结果的原因可能是水下单元设计较为困难，存在高折射率和高透射率调制限制。另一方面，水下全向声学复眼由于材料的原因并不能像空气全向声学复眼那样通过3D打印进行一体化制造，水下全向声学复眼在制造过程中存在着复杂的制造工艺，这可能对结构柔性耦合共振行为产生一定影响，从而使得实验频带出现偏移现象。

图5 水下全向声学复眼的实验结果。(a) 单声源实验的示意图（声源距离声学复眼1米处）。(b) 在能量集中区域测量的归一化声压（蓝色）与对照组（红色）在单声源实验中的比较。(c) 单声源实验中全向声学复眼的模拟（Sim.）和实验（Exp.）增益。

对于声学聚能器而言，工作环境、工作频带和增益性能是评价声学聚能器的重要指标。本工作对比了现阶段的典型声学聚能器，以说明本项工作的显著优势。可以看出，本项工作中的全向声学复眼能够在三维自由场中发挥作用，摆脱了对波导和环境因素的依赖，并在水下声学的全向能量集中方面实现了突破。与其他声学聚能器相比，本项工作提出的声学复眼具有更宽的工作带宽，并实现了宽带高信号增益。尽管声学超球体也能够在三维自由场中发挥作用，但与其他声学聚能器一样，它并不能完全消除信号之间相干相消的影响，因此该设备的工作带宽较窄且增益幅度波动剧烈，并不能用于工程实际中。在本研究中，受昆虫复眼结构的启发，构建的全向声学复眼避免了信号间的干扰，这一点可以从声学复眼的中心聚能区域呈现出稳定的、均匀的声场这一事实中得到证明。对于水下场景而言，无论是采用声学超透镜的聚焦原理还是利用声学黑洞的能量集中原理，单独运用这两种原理来设计具有出色性能的水下声学聚能器是非常困难的（单独应用这两种原理设计的聚能器的相对带宽仅为42.86%和24.82%）。本工作的全向声学复眼能够实现稳定的水下能量集中，其相对带宽可达 97.44%，这对于水下声学聚能器性能的提升具有显著的积极作用。这种受昆虫复眼启发的声学复眼具有更高的环境适应性、更广阔的应用前景和更实际的应用价值。