基于非厄米声学超材料的宽带相干完美吸收

相干完美吸收只能在特定共振频率处或窄带实现完美吸收,这极大地限制了其在实际应用中发挥作用。近年来,非厄米调制和声学超材料的引入为复杂声波操控提供了全新的研究思路,并由此产生了许多在天然结构中难以实现的新颖的波与物质的相互作用。本文提出一种非厄米声学亚波长腔管耦合模型,理论推导并展示了相干完美吸收的演化过程。通过调控系统的非厄米参数实现了两个相干完美吸收的简并,简并处带宽平均因子为12.825,且在输出谱图上观测到与之相应的宽带完美吸收特性。本文工作为基于非厄米声学超材料实现宽带相干完美吸收提供了一种新的途径,同时也为开发用于宽带声吸收、声检测等工程应用领域的新型功能性器件奠定了理论基础。

“奇妙的声音”课程建设中的思政实践

本文以“奇妙的声音”新生研讨课为例,探讨将课程思政融入教材编写和课堂讲授的过程,激发学生对声学应用的兴趣和对学习现代声学、助力科技强国的紧迫感.课程融入中国古代在声学应用中表现出的智慧,引导使学生对中国传统文化和科学研究有深刻的认识,激发学生肩负的民族传承的骄傲感.课程强调现代声学在科技发展中的作用,培养学生的责任感,实现以课程思政为纽带,真正做到课程育人.通过课程的设计与实施,深入探讨了学术和思政的融合,厚植学生的创新精神和爱国情怀,为学科教学提供参考,推动学生全面发展.

专业核心课程教学助推大学生创新创业实践——以大创训练计划项目为例

以南京大学为例,分析了我国大学生创新创业培养体系现状,提出了当前创新创业培养存在的三个问题:一是学生知识储备不足;二是学生功课繁重,兴趣不足;三是学生创新意识缺乏。结合大学生创新创业训练计划“超声相控阵实现三维实景成像算法的研究”项目实践,针对当前创新创业教育存在的问题,创新性地提出联动专业核心课程助推大学生创新创业实践的解决思路,结合项目取得的成效,验证了该思路的正确性。

对称折叠通道结构的低频通风吸声体

为了消除或减少低频噪声,该文提出了一种低频通风超材料吸声体。该吸声体由对称的折叠通道结构组成,具有深度亚波长、高通风空间占比和低频高效吸声的特性。通过传递矩阵方法、有限元模拟和四传声器实验法,揭示了对称折叠通道结构通风吸声的物理机制。首先在理论上分析单个吸声体的通风吸声性能并进行了仿真模拟,在共振频率423 Hz附近,吸声系数大于0.9,通风空间占比高达40%。其次,吸声单体的共振频率可通过改变折叠通道的长度来灵活调控,组合多个不同共振频率的吸声单体可以拓宽吸声体的有效吸声带宽。由4个吸声单体组合的通风吸声体可实现314~366 Hz频率范围内的高效声吸收(吸声系数大于0.8),且通风空间占比达到35%,而结构厚度仅为314 Hz时波长的1/10。该低频通风吸声体具有结构简单、结构强度高和容易制造等特点,在低频通风降噪领域有着潜在的应用前景。

脉冲占空比对磁性微泡介导的聚焦超声温升效应的影响

集合多种诊断和治疗功能的声/磁造影剂微泡的研究与开发已经成为当前医学超声、生物医学工程及临床应用领域共同关注的热点问题.超顺磁氧化铁纳米颗粒具有独特的磁性特征和良好的生物相容性,可被用作核磁共振造影剂来提升影像对比度、空间分辨率及临床诊断准确性.我们的前期工作表明,通过将超顺磁氧化铁纳米颗粒挂载于常规超声造影剂微泡表面,可以成功构建多模态诊断及治疗介质,显著改变超声造影剂微泡的尺度分布及包膜粘弹系数等物理特性,进而影响微泡造影剂的声散射特性及其声空化效应和热效应.然而,此前的研究仅考虑了声场强度和微泡浓度等影响因素,对于脉冲超声时间特性对磁性微泡造影剂动力学响应的影响的相关研究仍有所欠缺.本文通过热电偶对凝胶仿体血管模型中流动的双模态磁性微泡在不同占空比超声脉冲信号作用下,产生温升效应开展了系统的实验测量,并基于有限元模型对实验结果进行了仿真验证.结果显示,脉冲信号占空比的提升是增强血管中磁性微泡在聚焦超声作用下温升效果的关键性时间影响因素.本文的研究成果将有助于更好地理解不同超声作用参数对双模态磁性微泡的热效应的影响机制,对保障双模态磁性微泡在临床热疗应用中的安全性和有效性具有重要的指导意义.

基于超声射频信号的肩袖损伤识别

肩袖撕裂是一种常见疾病,超声已被认为是该疾病首选的检查方法,但撕裂后的血肿充填易导致常规超声扫查的假阴性,本文提出一种基于超声原始射频(Radio frequency,RF)信号的肩袖撕裂识别方法。首先将B超诊断仪设置在二次谐波扫描模式,扫描和存储组织的原始RF数据。其次对一帧RF数据进行带通滤波并在这帧RF数据中选取感兴趣和参考区域;然后计算感兴趣和参考区域内每条扫描线上每一个或数个周期内二次谐波的均方根值。再用Kolmogorov-Smirnov检验把各区域内每条扫描线上的均方根值与参考区域的进行比较,计算相应p值。最后将感兴趣区域的算术平均p值除以参考区域的算术平均p值,得到相对p值。本方法解决了当前B超检查中识别复杂生物组织异常主观性强和需要有丰富临床经验的问题,测量准确、容易实施。

基于延迟锁相环的到达时间估计算法

超宽带脉冲信号具有高时间分辨能力,能达到厘米级的定位精度。目前,脉冲超宽带测距定位系统中普遍采用基于能量检测的非相关到达时间（TOA）估计算法的性能通常受限于阈值门限和估计偏差。该文在原先锁相环方案基础之上引入延时迟支路和衰减因子,提出了一种易于实现的基于延迟锁相环的TOA估计算法。通过在迟支路中设置不同的衰减因子,仿真结果表明,在IEEE802.15.4a4种信道模型CM1-CM4中,新算法均能有效提升测距定位精度,即缩短了首达路径与锁相环稳态锁定点之间的时差,其估计偏差最低可降至原有方案的1/10。

非线性超声射频信号熵对乳腺结节良恶性的定征

本文提出了一种基于非线性超声射频(radio frequency, RF)信号熵对乳腺结节良恶性进行定征的方法.对306例乳腺结节样本(良性158例,恶性148例)提取了基于超声RF信号二次谐波的熵和加权熵,以及常规超声参数(图像灰度、纵横比、不规则度、乳腺结节大小、深度);采用t检验和线性分类器检测参数对乳腺结节良恶性的区分度;进一步将有效参数组合输入支持向量机对乳腺结节良恶性进行分类.结果表明:除图像灰度外,其余参数均在乳腺结节的良性与恶性间有显著差异.多参数结合输入支持向量机的良恶性分类的准确率、敏感性和特异性分别为81.4%, 78.4%和84.2%.本文工作表明非线性超声RF信号的熵可有效地定征乳腺结节的良恶性,有望成为乳腺结节良恶性定征新参量.

基于超声RF信号熵分析的声空化时空监测方法

高强度聚焦超声(HIFU)治疗过程中剧烈的空化效应可能损伤靶区周围健康组织,因此,亟需开发可对生物组织内部声空化效应进行高精度时空定量监测的新型技术手段,方能确保临床安全和有效.相对于传统的商用超声灰度值信号,超声射频(RF)信号可以更好地保留声波散射信号更多的细节信息.而信息熵作为非基于数学函数模型的统计参数,可以表征由声空化效应引发的组织内部散射体无序度演变状态.因此,本文提出了一种基于超声RF信号熵分析的声空化实时监测成像系统,在此基础上实时评估HIFU引发的超声空化区域时空演化行为.首先,通过改制后的B超系统获取凝胶生物仿体内部由HIFU引发的空化泡群产生的散射回波原始RF信号,利用二维均值滤波方法抑制HIFU强声束对声空化监测成像回波信号的干扰后,通过数据标准化处理扩展RF信号的动态变化范围,再基于滑动窗信息熵分析重建熵值图像,经过二值化处理后即可实现对HIFU作用下组织内部声空化区域的时空监测.实验结果表明,相比于传统B超灰度成像法,基于RF信号熵分析的声空化监测成像算法可以更灵敏且精确地确定空化发生的起始时间和空间位置,有助于更好地保障HIFU临床治疗的安全性和有效性.本文的工作为HIFU治疗过程中组织内部声空化区域的时空监测提供一种具有极大应用前景的技术手段,为声空化生物效应量-效评估体系的建立奠定了良好的理论和实验基础.

基于轻薄硬质超表面的空气声波反射场操控

对反射声波的复杂操控是声学研究的基础问题之一,并广泛应用于房间声学设计及噪声能量消除等重要场合。近年来出现的声学超表面为声学功能器件的小型化提供了新的启示,因此如何进一步缩减其尺寸和重量具有重要的物理意义与应用价值。展示了一种轻薄超表面结构对低频空气声波所产生反射声场的高效、精准操控。通过理论计算证明了利用简单的扁平中空结构,可在不显著牺牲能量反射率及结构强度的前提下,通过调控单个结构参数产生0~2π范围内的反射相位,同时避免了制备难度高和增加器件重量的复杂内部结构,因此具有尺寸超薄(λ_(0)/20)、重量轻盈、反射率高及制备简单等优势。通过实现任意角度的异常反射、基于超薄平面透镜的可调声聚焦、构建平面棱锥镜产生类贝塞尔声束3个典型例子展示了该器件对反射声波的丰富操控性能。实现基于轻薄超表面对反射声场的操控,有助于新型平面声学器件的研究与应用,并有望在建筑声学、噪声控制、扬声器设计等领域中产生重要价值。

基于解释水平研究音乐节奏对利他行为的影响

音乐存在于生活的方方面面,通过影响个体的认知进而影响行为决策。文章引入解释水平理论,探究音乐节奏对个体利他行为的影响。通过系统的行为学实验,研究发现相对于快节奏的音乐,节奏较慢的音乐能够提升个人解释水平,从而驱使在慈善活动中捐献更多的金钱,即节奏舒缓的音乐更有助于人们展现利他行为。解释水平作为中介变量作用于音乐节奏对利他行为的影响。这表明不同的音乐节奏能够带来异质性的解释水平,从而激发不同的利他行为。

基于PT对称的声波超前/延迟线

低损耗、长带宽、时间可控的声波延迟线在音频、射频、声表面波信号处理等领域具有非常广泛的应用,然而设计满足上述三点特性的声延迟线是一项极具挑战性的工作.近年来,量子力学中的宇称时间(parity-time,PT)对称概念被引入到声学系统中,其散射矩阵在特殊点处的实数本征值揭示了声波在此类系统中可实现宽带的无损传输,且传输相位可调.本文设计了一种由一对PT对称的导纳超表面及夹在中间的等效声学介质组成的声学系统,通过设置导纳超表面参数调节其工作机制,从而实现了两类互补的特殊点.其中防反射层模式下的特殊点导致了一种声波延迟线的形成,而相干完美吸收-激“声”模式下的特殊点则用于设计一种罕见的声波超前线.由于此声学损耗-增益超表面在自然界中是不存在的,本文利用可主动控制的电热声碳纳米管薄膜来模拟它.仿真结果表明,PT对称系统是实现低损耗、长带宽且时间可控的声波超前/延迟线的优良载体,其应用可扩展至包括光学、力学、弹性波等诸多波动领域.

基于螺旋形超材料的宽带心肺音听诊器件

圆柱管听诊器具有结构简单、价格低廉、适用范围广等优势,但其尺寸通常较大,且工作频带难以覆盖心肺音频率范围.本文基于螺旋形超材料提出了一种圆柱形的心肺音听诊器件的设计理论,其尺寸可满足便携性要求(长度约1/5波长),且工作频带能有效覆盖典型心肺音频率范围(20∼1000 Hz).所设计器件的基本工作原理是利用内置的螺旋形超材料增加声波的传播路径长度,使不同频率下的等效声折射率均得到显著提升,从而在有效缩减结构尺寸的同时保持极宽的工作频带.基于等效媒质理论,对该结构中的声传播过程进行了理论分析,研究了其等效声学参数及灵敏度增益在不同频率下的变化特性,并通过有限元方法进行了验证.理论和仿真结果能够很好吻合,证明所设计的心肺音听诊器在20∼1000 Hz的宽频带内产生了平均10 dB的灵敏度提升.基于此,进一步分析了热黏滞损耗和结构参数变化对该器件的灵敏度和工作带宽的影响规律.最后,制备了心肺音听诊器样品并对其声学性能进行了实验测量,结果表明心肺音听诊器相比于圆柱管听诊器在20~1000 Hz全频带具有更高的灵敏度,在330~820 Hz频段的平均增益能够达到10 dB.本研究所设计的心肺音听诊器件具有灵敏度高、工作带宽大、设计简单、结构强度高、材质选择自由、鲁棒性等特性,为心肺音听诊器件的设计提供了新的思路,在医学临床诊断和声学传感等领域具有广泛的应用前景.

Kekulé调制声子晶体中的赝表面狄拉克涡旋拓扑态

近年来,拓扑学的概念被引入到声学系统,声学超材料以及声子晶体中的拓扑效应被广泛研究.其中,声学拓扑边界传输模式具有低损耗、背向散射抑制的特性和良好的鲁棒性,在声信号探测、噪声控制等方面拥有较大的应用潜力.近期,高度局域在狄拉克涡旋处的零维拓扑束缚态在多种物理系统中被发现,成为相关领域的研究热点.但是现有研究中的声学结构大多受限于二维空间,自由空间中亚波长尺度的狄拉克涡旋拓扑态亟待探索.本文基于声赝表面波实现了自由空间中的类马约拉纳束缚态,即通过在硬质基板上排布蜂窝晶格阵列的空气圆柱孔,并在系统中施加一个与格点位置相关的Kekulé调制,产生了局域在结构表面和涡旋中心的声学拓扑束缚态;证明了这种拓扑束缚态的频率固定在狄拉克频率处,且不受Kekulé调制幅度的影响.此外,进一步分别引入粒子空穴对称性保护和破缺的缺陷,验证了这种特殊的拓扑束缚态在粒子空穴对称性保护时对缺陷具有较好的鲁棒性.本研究在基于声能局域和捕获的新型声学功能器件的设计方面具有潜在的应用前景.

水声超材料研究进展

水声材料的应用是潜艇等水下航行器实现声隐身及提升声探测性能的关键所在.近年来,随着声学超材料的蓬勃发展,各种类型的水声超材料也被提出.相比空气声,水中声波波长更长,传播损耗却小得多,故水声比同频率空气声更难以控制;此外,水介质的密度和声阻抗比空气介质大得多,常规金属不能再被视为刚性而变成弹性体,且水对结构的流体负载不能忽略,故水声超材料的设计和性能预测更为复杂.本文综述了近年来水声超材料的发展历程,主要针对吸收型、去耦型、聚焦型三类与潜艇声隐身和声探测密切相关的水声超材料,对其分类、基本特性、物理机理、研究动态等进行了详尽归纳和总结,并对其发展中面临的难题和趋势进行了探讨和展望.相比传统材料,水声超材料展现出众多超常声学特性,但仍存在低频宽带声波调控能力有限、不能有效兼顾大静压等环境要素、加工制造工艺不足等问题.未来研究中应着力克服上述不足,朝着低频宽带、全向、大平面尺度、亚波长厚度、轻量化、大耐压及多功能复合、环境适应性等方向发展,以更好地实现工程化应用.

声单向操控研究进展

电子二极管的发明标志着现代电子学的诞生,在整个人类社会中引起了科技的深刻变革.声波是一种具有非常悠久的研究历史的经典波,却始终被认为仅具有对称的传播形式.若能制造出可像电子二极管控制电流般实现声波单向导通的声学器件,显然将对整个声学研究领域产生重大影响,具有重要的科学意义及应用价值.第一个基于非线性媒质与声子晶体的声二极管利用非线性突破声学互易原理的局限,首次实现了将声能流限制在单一方向上的声整流效应.针对非线性系统转换效率低下的固有缺陷,在线性体系内围绕声单向传播这个重要科学问题开展了一系列理论和实验研究,设计与制备了多种具有特殊结构和性能的线性声学单向结构,在器件的效率、带宽及尺寸方面产生了突破.在声二极管研究的基础上,第一个可以像电子三极管操控电流般对声流进行操控与放大的声三极管理论模型也被提出.本文介绍了声单向传播这一新兴且富有蓬勃生机的研究领域中的主要进展.

声人工结构的声场调控研究进展

声场调控是声学研究的核心问题之一,对医学、通信、军事以及工业检测等各个领域都有重要意义.受限于声波的物理属性及天然材料固有的声学性质,精准而简便的声波调控难以实现,导致声学学科中存在若干难题.人工构建的特殊结构可提供天然材料不具备的特殊声学性质,为突破局限、实现各种新奇的声场调控提供了可能性.本文从声子晶体、声学超构材料及超构表面等人工结构的基本概念出发,系统综述了声场操控方面的主要研究进展,包括基于声学人工结构的声单向传播、声角动量产生/检测、声隐身及其与机器学习的融合等,并介绍了声人工结构在高容量/高速声通信、声扩散体以及低频声波吸收/隔离等方面的应用实例.最后,讨论并展望了声场人工调控技术的发展前景.