Cell Reports Physical Science: 单换能器弹性波计算感知

撰稿|由课题组供稿

近日，上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室何清波教授、彭志科教授研究团队提出了基于散射编码结构化边界的弹性波计算感知方法，突破了单换能器目标定位技术难题。相关工作以“Scattering-coded architectured boundary for computational sensing of elastic waves”为题，于2022年6月3日在线发表在Cell Press旗下新晋高影响力综合期刊《Cell Reports Physical Science》。

基于散射编码结构化边界的单换能器目标定位示意图

基于主动声波与弹性波的目标定位技术在结构健康监测、医疗诊断、人机交互等领域具有重要的应用价值。当前技术通常依赖于数量庞大的换能器，硬件系统复杂，成本与功耗较高。蝙蝠、海豚等生物具有结构化的听觉系统，可以调制空间声波实现声源定位。这一特点启发人们设计为信号提供空间结构化特征的人工结构，结合计算感知算法求解反问题以重构波源信息，从而突破空间采样定理、降低传感成本。目前，基于计算感知的振动噪声溯源研究取得了一定进展，然而在主动弹性波目标定位方面依然存在研究空白。

论文提出了对空间弹性波散射场编码的结构化边界概念（图1）。结构化边界由空间随机分布的散射体构成。单个换能器激励具有多个中心频率的脉冲信号，并接收目标反射的回波信号。每一次脉冲的发射与接收被视为对目标的一次观测。利用结构化边界对弹性波的多重散射效应，将复杂扰动引入空间散射场，可以产生高度不相关的空间散射编码，从而消除目标位置信息的歧义性，仅用单个换能器实现对弹性波的计算感知。

图1. 用于单换能器计算感知的散射编码结构化边界示意图。

研究人员对结构化边界进行了理论分析与试验验证。理论分析表明，由于结构化边界的多重散射效应，随着时间的演化，弹性波场的空间分布具有显著的随机性，呈现出高度不相关的空间散射编码，从而为目标位置的计算感知创造了必要条件（图2）。试验结果表明，所提出的结构化边界消除了目标在其空间对称位置出现的可能性，结合计算感知重构算法，只需单个换能器就可以唯一地识别目标位置（图3）。而且与单次观测相比，采用多个激励频率进行多次观测可以显著提高目标定位效果。

图2. 对照组与结构化边界的弹性波场时空演化对比

图3. 结构化边界目标定位效果的试验验证

论文进一步设计了一种具有结构化边界的单换能器超声波触摸屏原型，展示了对字符信息的交互式输入（图4）。与没有结构化边界的对照组相比，具有结构化边界的超声波触摸屏可以准确识别手指触摸位置。所提出的触摸屏装置原型除了单换能器外，无需任何电子元件，有望与家电、终端机、机器人、移动设备、工业设备等平台进行集成，在人机交互领域具有广泛的应用前景。

图4. 具有结构化边界的超声波触摸屏结构示意图，以及与对照组字符识别结果的对比

图5. 具有结构化边界的超声波触摸屏视频演示

论文提出了能够对空间弹性波散射场进行高度不相关编码的结构化边界，实现了基于单换能器的弹性波计算感知，为设计具有信息编码和识别能力的人工边界结构提供了新的思路，在结构健康监测、人机交互、波源定位等领域具有潜在应用前景。该研究是何清波教授课题组在弹性波编码感知技术方面的又一创新成果。

姜添曦博士、廖昕昕博士为论文的共同第一作者，何清波教授为通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金创新研究群体、面上项目、青年项目，中组部青年拔尖人才计划和中国博士后科学基金的资助。

Cell Reports Physical Science是Cell Press出版集团新近推出的高影响力综合期刊，旨在发表物理、化学、能源科学、材料科学以及交叉学科领域中的重大研究进展。

何清波教授课题组近年来在基于超构材料的弹性波编码感知技术方面取得了一系列代表性成果，其中相关文献包括：

[1] Tianxi Jiang, Chong Li, Qingbo He, and Zhi-Ke Peng, Randomized resonant metamaterials for single-sensor identification of elastic vibrations, Nature Communications 11: 2353 (2020).

[2] Chong Li, Zhike Peng, and Qingbo He, Stimuli-responsive metamaterials with information-driven elastodynamics programming, Matter, 5: 988, (2022).

[3] Tianxi Jiang, Xinxin Liao, Hao Huang, Zhi-Ke Peng, and Qingbo He, Scattering-coded architectured boundary for computational sensing of elastic waves, Cell Reports Physical Science 3:100918 (2022)

[4] Tianxi Jiang, Qingbo He, and Zhi-Ke Peng, Proposal for the Realization of a Single-Detector Acoustic Camera Using a Space-Coiling Anisotropic Metamaterial, Physical Review Applied 11(3): 034013 (2019)

[5] Chong Li, Tianxi Jiang, Qingbo He, and Zhi-Ke Peng, Smart metasurface shaft for vibration source identification with a single sensor, Journal of Sound and Vibration, 493: 115836 (2021)