科技快讯 |沉浸式波传播实验：物理实现和一维声学结果

近日，苏黎世联邦理工学院地球物理研究所TheodorS. Becker教授研究组，提出了一个全新的物理方法，通过主动边界控制，实现实时的沉浸波传播声学实验，消除了声波反射（受实验室边界限制）引起的干扰影响。其相关工作发表在《Physcial Review X》期刊上。

说起地震波（Seismic wave），人们首先会想到地震这一自然灾害极大的破坏力。我国作为一个地震多发国家，历史上多次遭遇重大的地震灾害，给无数家园带来了毁灭性的打击。

（图片来源：

http://hypotheticalearthquakes.wikia.com/wiki/2025_North_India_Earthquake）

然而，除了灾害，地震波还有其鲜为人知的一面：工程上常用地震勘探的方法，寻找埋藏在地下的石油、天然气、煤矿等自然资源，犹如一盏灯，“照亮”了地下的世界。

（图片来源：http://www.gmc.org.cn/tech/item/2869）

地震勘探的原理是：首先，在地表通过人工的方式激发产生可控的地震波；地震波向地下传播时，遇到地质环境不同的岩层分界面（此处可能有石油！），将会发生反射与折射；在地表或钻井中布置检波器，对地震波进行接收，收到的信号与震源、检波位置和地震波所传播的地下岩层的性质和分布有关。通过对地震波信号的分析和处理，就可以推断出地下岩层的性质、构造、形态等一系列有用信息。地震勘探的深度一般从数十米到数十千米，从分层的详细程度和勘查的精度上讲，地震勘探都优于其他地球物理勘探方法。因此，地震勘探是钻探前勘测石油、天然气、固体矿产的重要手段，在煤田和工程勘察、区域地质研究和地壳研究等方面也有着广泛的应用。

当前，地震勘测已经不仅仅局限在耗时耗力的实地勘测了，很多时候都只需要在有限空间内、借助一定的模型来解析地震波的传播特性。随着高性能计算的不断发展，地震波传播的模拟能够不断增加物理和结构的复杂性，模拟结果越来越接近于真实的地质场景。但是，在实地观测和计算机模拟之间仍然存在差距，实验室地震实验可以在弥补这些差距方面发挥关键作用。但是，往往由于试验场地和条件的限制，在模拟地震波传播实验中，由于实验室的物理边界有限，在一定区域内传播的波不可避免地会发生截断；边界的存在使得地震波发生许多反射和折射，给地质勘探带来了许多不可确定的干扰因素。

根据最近的沉浸式边界条件（immersiveboundary condition）理论，研究人员通过主动边界控制（active boundarycontrol）的方法，向我们展示了一种全新的、实时的沉浸波传播（immersivewave propagation）声学实验系统，利用精确设计的边界条件来克服与尺寸、频率相关的限制，使得我们能够较好地计算模拟出长波长、低频的地震波在有限空间中的传播特性。这种实验方法使声波能够在两个无缝域之间来回传播，且不会在两个域边界处发生反射行为，从而在模拟条件下等效地“扩大”了物理实验室环境，并且能够以更低的频率（声波频率可低至1kHz）进行实验操作。

虽然沉浸式边界条件已经有了严格的数值理论模型和计算结果，但在这里，研究人员是第一个对这一概念提出了切实可行的实验方案。研究人员首先总结了沉浸式边界条件的概念，并简要回顾沉浸式边界条件理论和沉浸式实验，以帮助理解在实时采集、计算和控制系统中的数值实现。然后，利用一维声波管，首次在实验上论证了沉浸式边界条件物理实现的可行性，并介绍了低延迟、高性能的WaveLab系统来实现实时3D沉浸波实验。该系统能够通过任意复杂的虚拟背景介质，并同时将800个输入记录的波场外推至800个同步输出，但其系统延迟却极低（为200μs）。该实验室可以研究各种物理波动和成像方面长期存在的问题，同时，这种实时沉浸式实验也为实验室声学和地震实验的进行以及有源声学隐形和全息术等领域的开发打开了新的一扇门。

沉浸式边界条件方法中引入的物理（右）和全域（左）的示意图，其中声学介质参数ρ为质量密度、c为波的传播速度。

使用中心频率为2kHz的Ricker小波作为输入，演示了一维系统中的实时粒子速度估算和波动场之间的分离。

根据波导的五个位置（点）测量，估算直达波的时间延迟

用于演示非反射沉浸式边界条件的波导，其中虚拟介质对应于均匀的半空间。

图（1-5）显示了对于发射的Ricker小波，在x₁^rec处的压力记录，其中心频率为1~5kHz。图（6）式相对于参考能量作为频率的函数，在所有五个实验中的求和。

上：三层波导的几何形状

（1）由具有2kHz中心频率的Ricker小波与被动式沉浸边界条件发射产生的参考压力场分布图。

（2）右侧有一个主动式沉浸边界条件源所产生的压力场分布图。

（3）两个压力场分布的差值。

上：均匀波导的几何形状。

（1）通过发射具有2kHz中心频率的Ricker小波与被动式沉浸边界条件获得的参考压力场分布图。

（2）具有主动式沉浸边界条件源的压力场分布图。