[論文レビュー] Acoustic Holographic Rendering with Two-dimensional Metamaterial-based Passive Phased Array

Yangbo Xie, Chen Shen+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2016

Acoustic Wave Phenomena Research参考文献 28被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、複雑なアクティブ回路を必要とせず、1つのトランスデューサーで十分な音響ホログラフィックレンダリングを実現する、受動的でメタマテリアルに基づく2次元位相配列を提案する。波長未満の共鳴単位を位相シフトピクセルとして設計することで、音波面を正確に制御し、高い空間分解能とシステムの単純さを実現した。これにより、マルチフォーカスレンズ効果や複雑な3次元音場再構成が可能となった。

ABSTRACT

Acoustic holographic rendering in complete analogy with optical holography are useful for various applications, ranging from multi-focal lensing, multiplexed sensing and synthesizing three-dimensional complex sound fields. Conventional approaches rely on a large number of active transducers and phase shifting circuits. In this paper we show that by using passive metamaterials as subwavelength pixels, holographic rendering can be achieved without cumbersome circuitry and with only a single transducer, thus significantly reducing system complexity. Such metamaterial-based holograms can serve as versatile platforms for various advanced acoustic wave manipulation and signal modulation, leading to new possibilities in acoustic sensing, energy deposition and medical diagnostic imaging.

研究の動機と目的

• 大規模なトランスデューサアレイおよび位相シフト電子回路に依存する従来のアクティブ音響ホログラフィー系の代替として、簡素化され受動的な代替案を開発すること。
• 2次元メタマテリアル構造に埋め込まれた波長未満の共鳴単位を活用し、1つの入力源から高精細な音響ホログラフィックレンダリングを実現すること。
• アクティブ電子制御を一切用いずに、複雑なマルチフォーカスおよび3次元音場を生成する可能性を実証すること。
• 受動的メタマテリアルを、音響信号変調および波面整形の再設定可能なプラットフォームとしての可能性を検討すること。
• 医療イメージングやセンシングなどの音響応用分野において、システムの複雑さとエネルギー消費を低減すること。

提案手法

• 各単位が音波の位相シフトピクセルとして機能する、波長未満の共鳴的メタマテリアル単位の2次元アレイの設計およびプロトタイピング。
• アレイ全体で精密な位相変調を達成するように、幾何的パrameterを調整した共鳴キャビティ構造の使用。
• 1つのバナディスト音源を用いてアレイを照射し、受動的位相制御によって空間的に形状された波面を生成。
• 有効媒質理論およびヒュイヘンスの原理に基づく理論的枠組みを用いて、波面再構成をモデル化。
• マルチフォーカス焦点化および複雑な3次元音場再構成を含む、音場パターンの数値シミュレーションと実験的検証。
• 1つのトランスデューサーで全受動的アレイを励起し、位相分布をメタマテリアル素子の物理的幾何形状に符号化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受動的、1トランスデューサー系が、アクティブ位相配列と同等の完全な音響ホログラフィックレンダリングを達成できるか？
• RQ2 アクティブ電子回路を一切用いずに、波長未満のメタマテリアル単位の2次元アレイが、複雑な音波面をどれほど正確に再現できるか？
• RQ3 この受動的メタマテリアル手法を用いた場合、音場再構成の実現可能な空間分解能と忠実度はどの程度か？
• RQ4 このシステムは、高い指向性と最小限のクロストークを伴ってマルチフォーカスまたは3次元音場を生成できるか？
• RQ5 複雑さとエネルギー効率の観点から、この受動的システムは従来のアクティブホログラフィックシステムと比べてどの程度優れているか？

主な発見

• 受動的メタマテリアルアレイは、1つのトランスデューサーで複雑な音響ホログラムを生成し、アクティブ位相シフト回路の必要性を排除した。
• 実験とシミュレーションの両方で、高い強度コントラストと空間分解能を達成したマルチフォーカス音響レンズ効果が実証された。
• アレイ全体の位相分布が、波長未満の共鳴単位の幾何的設計に正確に符号化されており、正確な波面形状制御が可能となった。
• 実験結果はシミュレーションと良好に一致し、制御された振幅および位相プロファイルを持つ3次元音場の合成が可能であることが確認された。
• 従来のアクティブ位相配列と比較して、ハードウェアの複雑さと消費電力が顕著に低減された。
• 再設定可能で低コストな実装が可能であるため、音響センシング、エネルギー集積、医療イメージング分野における新規応用が可能となった。