导读
声音是人类最早研究的物理现象之一。一直以来，人们一直在探寻声音中的奥秘。1862年，亥姆霍兹出版了其伟大著作《音的感知》，至今依然具有现实意义。而关于近场声学的研究，近年来也越来越引起人们的关注。近场倏逝波作为一类常见的波动模式，其声场大小会随着距离呈指数型下降，往往呈现高度的空间局域性。因为近场倏逝波可以携带信息并且具备很高的能量密度，从而在信息传输、无线传能、无损探测、超分辨显微成像，聚焦，医疗检测等方向都具有非常广阔的应用前景。那么能否使得近场波像远场波一样，具有高度可调的方向性和高指向性，尤其是实现亚波长尺度下的选择性定向耦合呢？这个至关重要。但是，由于缺乏对于近场物理的，尤其是其对称和拓扑性质方面的系统性理解，这个基本要求往往是最难实现的挑战。
目前关于近场倏逝波选择性调控的工作往往集中在光学，基于特定的入射激励条件（比如，左旋右旋光）以及各向异性的复杂共振结构。然而相较于电磁横波，纵波缺乏丰富的天然偏振极化自由度，其声学纵波的近场研究和开发受到了诸多限制。虽然在亚波长有效地选择性调控近场倏逝波仍是一个充满困难的挑战，但是其价值不言而喻。其不仅能够促进我们对于近场波动物理的了解，也将带动“声，光，振动，热”等方面发展一系列更加丰富的功能器件。
最近，同济大学声子学与热能科学中心的任捷教授、陈鸿教授课题组和南京大学现代工学院卢明辉教授、陈延峰教授课题组通过合作，基于南京大学和中科院声学所鲍明研究员、许相园博士团队联合开发的声学矢量传感器，通过实验和理论结合系统地揭示了近场倏逝波固有的几何性质以及对称性，并在对倏逝波进行对称性分析的基础上提出了实现选择性近场纵波耦合的详细方案。同济大学的龙洋博士和南京大学的葛浩博士为该工作的并列第一作者。
对称性是现实生活中普遍存在的有趣现象，在现在物理学中占有相当重要的地位。基于对称性，狄拉克提出了电子具有正电子和负电子；我们常说的守恒定律其实也和对称性是一一对应的。对称性不仅仅具有表面的几何之美，它还拥有丰富的物理内涵。在这个工作中，研究者从对称性角度出发，为一般近场波的定向设计提出了方案。近场波的动力学特性可以利用三种几何正交矢量来描述：时间平均能流(Poynting vector) 
、无功功率（Reactive power）
和自旋角动量(SAM)
。根据这些量固有的几何性质，研究者得到它们不同的对称性，分别对应于宇称-时间(
)对称、时间反演(
)对称和宇称( 
)对称(图1)。近场波也会具有这些对称性，多个近场波的不同组合则会具有不同的对称性，比如将一个正方形和一个圆形进行叠加，组合出来的新图形会具有某些新的对称性。
而关于定向耦合，过去以波的类量子自旋霍尔效应为基础，不同的自旋或手性通过自旋动量锁定产生不同的传播方向。2018年，同济课题组发文揭示了纵波独特的自旋角动量，并与伯克利课题组合作做出了首次实验观测，在自旋动量锁定的基础上，实现了定向耦合。在这篇新工作中，作者们提出比声自旋的自旋动量锁定更进一步的方案，杰纳斯（Janus）源和惠更斯（Huygens）源，来实现声学纵波的近场定向耦合(图2)。杰纳斯是罗马神话中的天门神，头部前后各有一张面孔，故亦称“两面神”或者“双面神”。顾名思义，双面神Janus源将选择性地只与单侧近场模式耦合，而不与另一侧耦合(在这里是和上表面或者下表面耦合)，这种性质只是近场独有。而Huygens源则不论远场近场都是单向选择，在文中只与左边耦合或者与右边定向耦合，垂直于双面神Janus源的方向选择性。
但是，如何在近场声学里面实现呢？根据声辐射理论，声源可以看作是声单极子
、偶极子
和四极子
的叠加：
。这些叠加项通常是用来构建丰富的远场声波模式。基于以上对于近场波的几何性质和对称性分析，研究者们利用五个可以独立控制振幅和相位的扬声器实现了任意组合的声单极子和偶极子构建了这三种声信号源(图3)，并且提出了近场声学耦合理论，从理论上分析了这三种信号源的对称性及相关因素：
声Janus源--与Reactive power 
有关，具有
反对称性和
对称性:
声Huygens源--与Poynting vector 
有关，具有
对称性:
声spin源—与非零的SAM密度
有关，具有
对称性和
反对称性:
可以看到，这三种信号源都具有非常丰富的对称性。
有趣的是，根据三种信号源的对称性分析(图2)，研究者发现这三种信号源可以用同样的
，
以及
激发。在实验上，研究者利用两个相互对立的中间夹着空气的梳状表面元件，通过选择性地激发系统中间扬声器的不同的模式组合，实现了一些非常新奇的实验现象(图3图4)。对于普通的信号源，当从系统中间发出信号时，声音会沿着上下边界左右(共四条支路)都会传输。但是当利用具有不同的对称性的信号源激励时，会发现声波的选择性定向传输(图2)：Janus源选择性地耦合到单侧(上表面或者下表面)表面；Huygens源由于能量流的定向输运特性，可以激发单向(左半边或者右半边)的表面模态；而声spin源则在对角方向上激发。这与之前的理论预测结果吻合的非常好。此外，当不同的源激发时，声近场波中自旋角动量的对称性也得到了充分的讨论和实验验证。
图文速览
图1.近场波的几何性质和对称性。
图2. Janus源, Huygens源和spin源的对称性。
图3. Janus源, Huygens源和spin源的实验方案。
图4. Janus源, Huygens源和spin源选择性耦合的实验观察。
质点振速测量
本文研究中一个关键实验问题就是如何有效的测量狭小结构中的声质点振速分布
，并通过
计算得到由质点振速引起的自旋角动量密度。在声学领域中，我们对于声压非常熟悉，我们的双耳或者是麦克风就能够直接感受或者测量声压。也正由于声压物理量测量技术非常成熟，我们研究或者应用声学技术的时候普遍以声压作为研究对象。受限于仅针对声压的测量技术，对于声质点振速在声学技术研究中颇为稀少陌生。得益于一种新型传声器技术的开发，该问题变得非常简单。这种传声器区别于仅仅能够测量声压的电容式传声器，能够直接测量空间中一点的质点振速大小和方向。帮助我们更加全面的认识声音。我们基于此技术在单支探头上集成该质点振速传感器以及mems声压麦克风，探头直径仅有4mm。这样可将探头配以夹具深入结构内部进行扫描，实验装置如图5所示。
图5 实验装置以及集成了声质点振速和声压的微型探头
a. 实验样品，声学探头需要伸入周期狭缝结构中进行声场扫描。
b. 声质点振速传感器：集成了一维声质点振速传感器以及声压传感器，通过正交测量实现XY平面的矢量声场测量。
c. 所使用矢量传声器探头。
探头由电动位移平台带动并以5mm步长进行移动，由采集设备测量对应位置声压和质点振速的幅度和相位。此外，由于探头上仅集成了一个维度的声质点振速传感器，为了获得二维平面内的声质点振速分布，我们将进行两次扫描，每次扫描时探头方向正交。此时可以分别获得X方向和Y方向的质点振速复数场。通过上述方法测量X-Y二维平面内的质点振速分布，并通过
计算即可以得到自旋角动量密度。其结果如图6所示。从图中我们可以清晰的看到声的流动矢量分布以及对应声学自旋角动量密度分布。
图6.三种不同激励下声近场中自旋角动量对称性的实验验证。
a.区域L\R(两个红色虚线矩形)是质点振速场测量区域。
b-d.分别是与图4设置相同的Janus源, Huygens源和spin源测量到的SAM密度。从实际测量的SAM密度可以看出，三种声源的近场SAM具有
对称，
对称和
对称，与图2的结果符合的很好。
这项研究工作为实现近场倏逝波的对称性选择定向输运打开一扇新的大门，并且可以指导一般近场波的定向设计，特别是在波能量传输的有效耦合、声学/声子器件的选择性功能和新型的具有新奇性质的近场源等方面。随着科学技术的发展，这一工作也将会被应用到实际生产生活中去，比如用于机械设备的振动和噪声分析、发展声显微镜用于材料的缺陷分析检测、电子结构测量、微区弹性等性能测试、实现声信息的定向发射、声能量定向输运、与纳米技术相结合制造集成纳米声子器件、促进声音全息技术的发展，或者用于实现近场的声捕获和声镊等等。值得注意的是，这种基于对称性分析的源设计方法也可以推广到其它波的研究领域，为各种光学、声学、力学器件的小型化，高效化，集成化的实现提供可能。
可测声音大小和方向的
矢量传感器
在本研究中，声质点振速的成功测量帮助以可视化的方式展示了声场的新奇特性。声质点振速传感器的威力不止如此。传统意义上的振膜式传声器仅仅能够测量声压，声压是标量的，也就是说它是仅有大小没有方向的物理量。而对于声质点振速既有大小又有方向，因此我们把能够测量声质点振速的传声器叫做矢量传声器。由于其矢量特性，是在声场空间信息的获取领域上的一把好手，无论是从声学近场测量还是到远距离听声辨位，都能够发挥独有的作用。首先，在复杂声场环境下，质点振速能够准确和直接的反映机械振动产生的声音特性；同时，对于声源定位追踪技术来说，矢量传感器能够做到单只传感器的声定向识别，这单靠传统声压麦克风是无法实现的，为声源定位技术提供了更为强大的技术方向；最后，根据矢量传声器获取的声压和质点振速信息能够获得声阻抗信息。这对环境声学或建筑声学中材料吸隔声测量、声品质测量等应用提供了便捷的解决方案。为了促进这项技术能够在更多的声学领域里发挥作用，基于这项技术还成立南京粒子声学科技公司，力图服务于声学测量行业，开拓和推广矢量声学技术的相关产品。
图7 南京粒子科技产品线，从左至右：用于狭小结构声场测量的1/4英寸矢量传声器；标准1/2英寸矢量传声器；集成三个相互正交的质点振度传感器和一个全向麦克风的1/2英寸三维矢量传声器；具有更强性能的三维矢量传声器。
图 8 1/4英寸矢量传声器；标准1/2英寸矢量传声器，以及其质点振速传感器的指向性和频率响应
图9. 三维声矢量传感器，以及用于声源定向，该应用场景中使用一支三维矢量传声器测量声波的入射方向，估计出目标声源的角度位置，角度误差小于2度。
图10.利用矢量传声器测量材料表面的声阻抗，从而获得材料表面的吸声系数，体积小巧便携，可在自由环境下测量，而无需局限于管中。相比成本更高且笨重的阻抗管测试更为方便。
图11.利用矢量传声器扫描得到的质点振速场分布。这种测试方法更能准确反映振动表面的振动速度，且抗环境噪声干扰能力很强。
南京粒子声学科技有限公司是一家专业的声学设备供应商和声学服务公司，核心团队来自中国科学院声学研究所物理感知课题组与南京大学人工带隙材料实验室。粒子声学专注于MEMS热线矢量传声器及相关矢量声学测量仪器的研发、生产与技术服务。公司在工业监测、智能安防、减振降噪和消费电子领域，与船舶、航空航天、公共安全、轨道交通、环境保护和国防等领域的企业事业用户合作，不仅提供高质量矢量传声器件与设备，而且可为细分行业应用提供全套解决方案。
文章链接
https://academic.oup.com/nsr/advance-article-abs
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除）。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
点击在看，支持我们!
