基于高折射率声学人工材料的传感器系统

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　　声波是海洋中进行远距离目标探测，舰艇水下导航、遥感以及通信等独一无二的工具。近年来在海洋声学传感领域，人们已经在电子学和声信号与信息处理等方向获得了巨大的成功。因此，新型水声功能材料和器件的开发是继这些成功技术之后最亟待解决的关键技术之一，它们能够进一步推动声呐技术、海洋传感以及医学超声等多个领域的发展。但是，目前功能材料和器件的匮乏已成为水声传感领域实现技术突破的瓶颈。

　　声学人工材料是目前新兴的研究领域，它拓宽了传统声学材料的概念，为声学功能材料和器件的研发提供了全新的思路和方法。声学人工材料是一类由亚波长结构单元构成的人工复合介质，能够对声波进行时域，频域以及空间上的操控。目前已经实现了诸如负折射率材料、声学隐身、超分辨率成像、声学拓扑绝缘以及声学黑洞等许多新奇的物理声学现象(如图1所示)。人们在这些研究基础上开发了一系列新型的声学功能器件，代表性工作包括声透镜、声学隐身斗篷、超材料声学吸收体、声二极管、超表面器件和超材料传感器等。可以预见该研究领域未来将会极大地推动水下声学功能材料和器件的发展，在水声传感、水下通信、医学超声成像等领域发挥重要作用。

　　图1 新兴的研究领域：水声高折射率人工材料

　　接下来我们将介绍一类高折射率声学人工材料，它们能够显著提升声呐的性能，在声学传感、通信以及声学成像等多个领域具有重要应用。值得一提的是，高折射率材料在光学领域已经发挥了重要作用，它们被广泛应用于光学传感、集成光学、光通信和光学成像等多个领域。与此形成鲜明对比的是，高折射率材料在水声学领域尚属空白，可以预见该材料和相应功能器件的出现将会在水声领域产生重要影响，能够推动声呐技术、声学换能器以及声成像等多个领域的技术革新。

　　很自然的，有人会提出如下问题：“我们为什么需要高折射率人工材料，这种新型材料能够为水声领域带来怎样的突破?”。

　　(a) 高折射率材料增强声波信号;(b) 高折射率材料增强目标定位能力

　　图2

　　我们用以上图2来进行简要的说明。设想声波信号(图2a中的波包)从水进入一个高折射率介质n》nwater。高折射率介质会使声波的波长减小λ=λwater/n，这意味着声波在该介质中被压缩。在理想情况下，我们忽略声波在介质界面上的反射以及传播过程中的损耗，当声波包在高折射率介质中被压缩时，由于能量守恒的限定，在波包总面积(波包面积对应于能量)不变情况下，其振幅将变大因而声波信号被增强。在另一方面，如图2(b)所示，设想一水下传感器阵列对探测目标进行定位，探测目标的方位角θ 可由相邻传感器(间距为d)之间的信号延时△t=d sinθ/(c/nwater)来测定，其中c为水中的声速，nwater为水的声学折射率。由于传感器自身响应时间的限制，它们能够探测的最小信号延时为△tmin，相应的最小可探测方位角为△θ=△tminc/(nwaterd)，这个值越小表明探测目标方位的能力越强。如果把传感器阵列置于高折射率介质中，其最小可探测方位角将变为△θ=△tminc/(nd)，由n>nwater可知，高折射率介质能够显著增强传感器的方位感知能力，这对目标和声源定位技术具有重要的应用价值。以上是两个比较直观的例子，除此之外，该人工材料还具有很多其它的突出特性和功能，例如缩小声波的波长使器件小型化、增强声辐射能力、减慢声速以及能够实现滤波、相位、延时和波束控制等。这些特性可以用于开发多种重要的水声功能器件，其中包括高性能声透镜、小型化的低频大功率发射换能器、声信号放大器、滤波器和声学延迟线等。

　　如图3所示，在我们的原创性工作中实现了折射率大于6的声学人工材料，从理论和实验上证明了高折射率声学人工材料能够实现对极微弱声波信号的放大、滤波、以及频谱分解等功能。进一步，我们将该功能材料与光纤声学传感相结合，成功地将声传感系统的信噪比提高1-2个数量级，显著改善了声学传感器的性能(图4)。我们期望高折射率声学人工材料这一新兴的研究方向将能有效地推动声呐技术、海洋传感与通信以及医学超声等领域的进一步发展。

　　(a) 各向异性结构组成的声学高折射率人工材料，其中采用渐变结构实现梯度折射率分布，解决了声波从低折射率介质耦合到高折射率人工材料的阻抗失配问题;(b) 声波在梯度高折射率材料中的压缩和放大效应;(c) 和 (d) 分别为有限元仿真和实验结果。

　　图3

　　(a) 声学高折率人工材料与光纤传感系统的结合;(b) 传感器系统的信噪比提升20dB(b) 噪声级以下的极微弱声波信号的恢复和探测。

　　图4

　　来源：中国声学学会公众号(ID：ASC-2018)，作者：陈永耀教授 哈尔滨工程大学水声工程学院。