[论文解读] 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 9

一句话总结

本文提出了一种基于超材料的无源二维相控阵，通过单个换能器实现声全息成像，无需复杂的有源电路。通过设计亚波长谐振单元作为相位调制像素，该方法可精确控制声波前，实现了高空间分辨率的多焦点透镜效应和复杂三维声场合成，系统结构简单。

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.

研究动机与目标

• 开发一种简化、无源的替代方案，以替代传统依赖大型换能器阵列和相位调节电子设备的有源声全息系统。
• 通过在二维超材料结构中利用亚波长谐振单元，实现仅通过单一输入源的高保真声全息成像。
• 证明无需有源电子控制即可生成复杂、多焦点及三维声场的可行性。
• 探索无源超材料作为可重构平台在声信号调制与波前整形方面的潜力。
• 在医学成像和传感等声学应用中，降低系统复杂度与能耗。

提出的方法

• 设计并制造由亚波长谐振超材料单元组成的二维阵列，每个单元作为声波的相位调制像素。
• 利用具有定制几何参数的谐振腔结构，实现在阵列上的精确相位调制。
• 通过单个宽带声源照射阵列，利用无源相位控制生成空间调制的波前。
• 采用基于等效介质理论和惠更斯原理的理论框架，对波前重建进行建模。
• 通过数值模拟与实验验证声场图案，包括多焦点聚焦与复杂三维声场合成。
• 使用单个换能器激励整个无源阵列，相位分布通过超材料单元的物理几何结构编码。

实验结果

研究问题

• RQ1 无源、单换能器系统能否实现与有源相控阵相当的完整声全息成像？
• RQ2 二维亚波长超材料单元阵列在无有源电子设备参与的情况下，能否精确再现复杂声波前？
• RQ3 该无源超材料方法在声场重建中可实现的空间分辨率与保真度如何？
• RQ4 该系统能否生成具有高方向性与低串扰的多焦点或三维声场？
• RQ5 与传统有源全息系统相比，该无源系统的复杂度与能效表现如何？

主要发现

• 无源超材料阵列成功利用单个换能器生成了复杂声全息图，无需有源相位调节电路。
• 该系统在模拟与实验中均验证了高对比度强度与高空间分辨率的多焦点声透镜效应。
• 阵列上的相位分布通过亚波长谐振单元的几何设计精确编码，实现了准确的波前整形。
• 实验结果与模拟结果高度一致，证实了可实现具有受控振幅与相位分布的三维声场合成。
• 该方法显著简化了系统，相比传统有源相控阵，硬件复杂度与功耗均大幅降低。
• 由于其可重构性与低成本实现，该方法为声学传感、能量沉积与医学成像等新应用提供了可能。