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声学前沿动态 | 基于声学超界面对混响声场的调控和重塑

近日,香港浸会大学物理系的马冠聪助理教授,香港科技大学的沈平教授,法国朗之万研究所的Mathias Fink教授,以及香港科技大学物理系现武汉大学物理与科学学院的范喜迎共同合作首次研制了针对空气中声波的空间声场调制器,该项研究是对室内声学和混响声学的一大突破,相关研究成果以“Shaping reverberating sound fields with an actively tunable metasurface”为题发表在PNAS杂志上。

 

混响环境在我们的日常生活中比比皆是,诸如音乐厅、教室、办公室等室内场景在声学上都是混响环境。在混响环境中,传播的声波会被边界(如天花、地板、墙壁)和形形色色的物体(如家具、电器、人等)反射和散射,最终形成一个复杂无序的声场。复杂的混响声场使人们对声音的操控极其困难,而传统的声学手段又对混响声场的重塑能力非常低,在这种情况下,如果想要在办公室设置一定的隔音区域或者改变音乐厅的音效,很可能就需要进行新一轮的装修甚至改变建筑结构,最终导致工程量浩大以及预算成本提高。在这样复杂的混响声场面前,主动降噪手段也无能为力。

 

通过观察,我们发现,无论混响声场如何复杂,其仍然是室内环境所具备的各种声波传播或共振模态的相互干涉所形成的。通过改变部分模态的相位,我们应该能够实现在复杂混响环境中对声场分布的调控和重塑。而事实上,近年来光学通过利用空间光波前调制器(spatial light modulator),实现了对光在无序的多重散射介质中传播的操控,并且实现了在不透明介质后聚焦、成像等新颖现象1

 

为了实现该目标,我们首次研制了针对空气中声波的空间声场调制器(spatial sound modulator)。如图1所示,空间声场调制器基于声波超界面(acoustic metasurface),由360个相同的薄膜型共振器构建2,其总面积约两平方米(小于室内边界表面积的1%)薄膜型共振器的结构,如图2A、B所示。通过设计,共振器的共振频率可以通过直流电压调控,在450Hz850Hz之间来回切换。这样,在600-700Hz,我们有效实现了对透射声波相位的二元调控(图2C)。与此同时,我们通过计算机对调制器进行编程,并通过实时反馈和递归优化手段实现了对混响声场前所未见的调控:图3A中,我们通过对空间声场调制器的优化,在室内指定位置构建出“静音区”(暗色区域),这一区域内的声强能够明显降低。同样,我们也能够实现“强场区”的产生,如图3B所示。研究表明:该效应对混响场内任意位置以及600-700Hz内的任意工作频率都是有效的,同时对宽频也具有一定的效果。

 

             图1 放置在实验室中的空间声场调制器

 

图2 空间声场调制器由薄膜型共振器构成。薄膜型共振器的共振频率可通过外加直流电的方式在450, 850Hz之间来回切换,从而实现对透射波相位的二元调控。

 

图3 优化前后的声场对比。A中优化目标是降低声强,实现静音区;B中优化目标是增加声强,产生强场区。

 

 

研 究 结 论

该实验结果是对室内声学和混响声学的一大突破。空间声场调制器的出现,意味着混响将成为一个能够根据实际应用场景和需求而随时改变的性质,而不再只是室内环境的永久性质。该研究具有重大的应用价值:空间声场调制器的广泛应用,可以实现多种以往无法想象的声学效果,比如在餐厅、咖啡厅、公共交通等嘈杂环境,我们能够针对具体对象构建出相对安静的静音区;在家庭起居方面,位置、频率可变的静音区也能够有效改善睡眠、工作环境。同样,强场区也可以用来改善室内音效,如改善演讲、音乐欣赏的声音效果等。强场区还可以用来改善人与人之间的语音交流,譬如相距较远的两人不必提高嗓音就能清晰地听到对方的声音。

 

 

Reference

 

1 Mosk, A. P., Lagendijk, A., Lerosey, G. & Fink, M. Controlling waves in space and time for imaging and focusing in complex media. Nat. Photon. 6, 283-292 (2012).

2 Ma, G. & Sheng, P. Acoustic metamaterials: From local resonances to broad horizons. Sci. Adv. 2, e1501595 (2016).

原文链接:

 

Guancong Ma, Xiying Fan, Ping Sheng, Mathias Fink, “Shaping reverberating sound fields with an actively tunable metasurface”, PNAS (2018).

http://www.pnas.org/content/early/2018/06/06/1801175115



 

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