声音回传：镜像化Luneburg透镜实现声波回射- 大数跨境

两江科技评论

2018-10-21

导读：声波信号的高效回射在声学研究中是一个非常具有实际意义的问题。最近，来自南京航空航天大学的伏洋洋副研究员、苏州大学、厦门大学以及美国杜克大学等研究人员基于Luneburg透镜独特的聚焦特点，利用镜像化L

导读

声波信号的高效回射在声学研究中是一个非常具有实际意义的问题。最近，来自南京航空航天大学的伏洋洋副研究员、苏州大学徐亚东副教授、厦门大学的陈焕阳教授以及美国杜克大学的Steven A. Cummer教授课题组基于Luneburg透镜独特的聚焦特点，利用阿基米德螺旋结构设计一个镜像化声学Luneburg透镜，并具体研究其声学回射性能，相关成果以“Compact acoustic retroreflector based on a mirrored Luneburg lens”为题发表在《Physical Review Materials》杂志上。

创新研究

回射器简介

平面镜是日常生活中常见的光学物件。人在照镜子时，需要站在镜子正前方，才能从镜子中看到自己，即平面镜成像。然而，一旦人偏离了镜子的正前方，那么人向镜子看过去，便无法看到自己的像了。这是由于光线经过镜面反射，没有回到人眼处。那么，是否存在一种镜子，即使人远离镜子的正前方，也可以照见人呢？简而言之，不管光线从什么角度射来，这种镜子都能将光线沿着入射方向的反平行方向反射回去。这种镜子被称为回射器（Retroreflector）。回射器是一种体状或者表面结构，可以将入射波重新定向反射回波源处。最简单的回射器是角回射器，只需将两个平面镜垂直放置，利用多次镜面反射，可以实现光线回射。人只要站在直角所在的区域中（90º 的照射范围），都可以看到自己的像。人一旦离开角锥区域，回射现象便消失。

平面镜与角回射器的回射对比示意图

为了解决角回射器有限的入射范围，人们相继提出很多设计方案。比如，基于双层超构表面（Metasurfaces）结构是一种实现回射现象的平面系统，但具有一定的回射偏差且工作频率较窄。另外， Eaton 透镜凭借其独特的折射率分布，可以实现全向性的回射现象。但是，Eaton透镜在中心处折射率无限大，不易于实现，严重限制它的实际应用。与Eaton透镜相比，Luneburg透镜的折射率要求（）较为“平易近人”，可以将相同方向的入射光线对称地聚焦在透镜表面。这种独特的聚焦性质为人们设计回射器埋下了伏笔。

Eaton透镜和Luneburg透镜的几何光线追踪效果图和折射率分布

声学回射器理论分析与设计

基于Luneburg透镜的聚焦特点，镜像化Luneburg透镜（由Luneburg透镜和弧形反射器组成）可以实现光线回射的功能。工作原理在于相同入射方向的光线首先汇聚在Luneburg透镜边界处，在弧形反射器的作用下，汇聚的入射光线将被镜面反射并对称地离开透镜；于是反射光线将沿着入射光线的反平行方向传播，从而实现回射效果。然而，弧形反射器的圆心角影响着回射器的性能。基于几何光学分析，当弧形反射器的圆心角从0º增加到180º的过程中，尽管有效的入射范围随之相应增加，但回射效率也会减少。因此，研究人员综合考虑入射范围和回射效率这两个因素，设计一个圆心角为的声学镜像化Luneburg透镜。基于数值模拟，研究人员观察到镜像化Luneburg透镜的回射性能：反射波在入射区域中（入射波能够进入回射器的区域，图中白色虚线方框）保持着良好的平面波前，沿着与入射高斯波反平行的方向传播。为了验证理论构想，研究人员利用声学超构材料技术，设计5种不同的结构单元，实现了参数离散化的声学Luneburg透镜（半径大小约一个波长），并利用3D打印技术制备了工作频率在3.0kHz的声学回射器。

镜像化Luneburg透镜的光线追踪示意图，数值模拟的声压场图和声学回射器的3D打印样品

声学回射器的实验验证

研究人员在声学测量平台上首先检测了声学回射器在正入射时的性能，发现该回射器确实可以引导反射波沿着与入射波反平行的方向传播。尤其是在入射区域中，反射波前是平面波形，这意味着入射波是被定向地回射，而不是被宽角度范围地散射。为了对比这一特点，研究人员测量了相同尺寸的圆柱体，发现圆柱体引起的反射是全向性的柱面波传输。相比于圆柱体中衰减传输的反射柱面波，回射器中的反射波是非衰逝的平面波前，因此具有更高的反射能量。研究人员还检测了声学回射器在-30º和-60º入射时的性能，类似的回射现象被验证。由于镜像化Luneburg透镜的对称性，该声学回射器可以宽角度工作，具有120º左右的入射范围（-60º至60º）。同时，研究人员发现较好的回射性能在中心频率处具有27%左右的频宽。其次，研究人员基于近场测量结果，估算了回射器远场的性能。与圆柱体的回射反射声场能量相比，回射器的回射声场能量在远场处是其3倍以上。

声学回射器和圆柱体在正入射下的数值模拟和实验测量的声压场图

总结

研究人员基于Luneburg透镜独特的聚焦特点，利用镜像化Luneburg透镜实现了声学回射器。该回射器很大地拓展了Luneburg透镜的功能，有效地实现了声音回射现象。该声学回射器材具有材料参数要求低、设计简单的特点，可以允许较大的入射范围以及一定的工作频宽。通过重新导向探测信号回到声源处，该回射器可以减少信号在散射过程中的损耗，从而提高传感信号的信噪比。实验表明，半径大小仅一个波长左右的该声学回射器具有120度的入射范围以及中心频率处27%左右的频宽。研究人员正在将该回射器的设计拓展到3D空间以及超声波段，这在基于脉冲反射的声学传感、通信以及探测等方面具有潜在的应用价值。

文章链接

YangyangFu#, Junfei Li#, Yangbo Xie#, Chen Shen, Yadong Xu, Huanyang Chen*, and StevenA. Cummer*，Compact acoustic retroreflector based on a mirrored Luneburg lens, Phys. Rev. Materials 2, 105202 (2018).

https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.105202

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