好消息！我国在这一声学领域取得重大突破

引言

近日，一则来自南京大学的科研喜讯，在国际科学界引起了广泛关注。南京大学物理学院声学研究所、近代声学教育部重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心杨京、梁彬和程建春等人在声超表面声场调控及其应用研究领域取得重要进展，创新性地提出了一种超材料赋能的新型声学相控阵，实现了高精度动态多点声聚焦和亚波长声成像，成功突破了传统声学相控阵的操控复杂性和声场分辨率无法兼容的瓶颈。

这项突破有多重要？简单来说，它为我们提供了一种前所未有的、兼具“灵活性”与“高精度”的声波控制能力。其相关研究成果以“Dynamic and High-Precision Sound Manipulation by Acoustic Metamaterial-Empowered Phased Arrays”为题已在国际顶尖学术期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上发表，标志着我国在这一前沿科技领域，迈出了从“跟跑者”到“并行者”乃至“引领者”的关键一步 。

今天就让我们用通俗易懂的方式，层层深入地解析这项突破究竟牛在哪里，以及它将如何影响我们的未来。

一、一个“鱼与熊掌”不可兼得的科学难题

要理解这项突破的意义，我们首先要了解科学家们面临的困境。在声学工程领域，长久以来存在一个根本性的技术矛盾：动态调控的“灵活性”与空间分辨的“精确性”，对应两种工具来实现：

• 传统相控阵（PAs）：这就像一个可以灵活操纵的“手电筒”。我们可以通过电子信号，实时改变声束的方向和焦点，想照哪里就照哪里。它的优点是动态、灵活。但缺点也很明显，它的“光斑”（声场焦点）比较大、比较模糊，精度有限，难以看清微小的细节 。
• 声学超材料（Acoustic Metamaterials）：这好比一支“高精度激光笔”。它通过精密的微观结构设计，能将声波聚焦成一个极细、极准的点，实现“亚波长”级别的超高分辨率 。但它的致命弱点在于，功能是“写死”的，一旦制造完成就无法更改，缺乏动态调整的能力 。

它们似乎是一对无法调和的冤家，几十年来，全世界的科学家都希望能将“手电筒的灵活”与“激光笔的精准”合二为一，但始终未能找到完美的解决方案。

二、中国智慧的精妙解答：“超材料”赋能“相控阵”

面对这一世界性难题，南京大学的团队给出了一个充满创造力的“中国方案”。他们没有在两条老路上徘徊，而是独辟蹊径，将两种技术巧妙地“杂交”融合，成功研发出全新的“超材料赋能声学相控阵”（Metamaterial-Empowered Phased Array, 简称MPA）。

它的核心设计思想，堪称神来之笔.研究团队在传统、普通的声学换能器（“手电筒”）上，覆盖了一层经过精密设计的声学超表面（可以理解为给手电筒戴上了一副“超级眼镜”）。这层超表面本身是无源的，但它扮演了一个“相位校正透镜”的角色。当下方较为粗糙的声波通过它时，它能瞬间对声波的波前进行精细地“打磨”和“重塑”，将其高效地转换为一个近乎完美的“理想点声源”。

图1 高精度动态声波操控的工作机制

(a)PAs和MPAs声波操控原理示意图；(b)MPAs、AMs和PAs的性能对比；(c)超构换能器声学多极子模型；(d)MPAs超构单元结构

（图源：南京大学）

通过这种方式，MPA技术用一种低复杂度的巧妙结构，同时实现了两大目标：

• 继承了相控阵的“动态可调性”，可以实时控制声场。
• 获得了超材料的“高空间精度”，彻底消除了传统技术的模糊效应。

图2 MPAs和PAs的声聚焦性能对比

(a)从(0，1λ)到(0，8λ)的纵向聚焦扫描;(b)从(−4λ，4λ)到(4λ，4λ)的横向聚焦扫描;(c)实验装置示意图;(d)(0，3λ)、(0，5λ)和(λ，3λ)三种焦点位置处的声压幅值分布图

（图源：南京大学）

实验数据有力地证明了这一设计的优越性：在动态多点声聚焦任务中，其空间分辨率相较于传统技术提升了高达65%；在成像测试中，它甚至能清晰分辨间距小至衍射极限（0.3λ）的微小结构，达到了前所未有的清晰度。

图3 亚波长声成像

(a)实验装置示意图；(b)MPAs和PAs的亚波长（0.3λ-0.6λ）成像效果

（图源：南京大学）

三、从实验室到未来生活，它将如何改变世界？

一项前沿科技的价值，最终体现在它的应用前景上。MPA技术的影响力远不止于学术论文，它有望在多个高科技产业中催生变革。

• 下一代无创医疗：在医疗领域，MPA技术有望推动高强度聚焦超声（HIFU）手术迈向新台阶。医生可以更安全、更精准地隔空消除肿瘤细胞。同时，它也能让未来的医学成像设备（如B超）在成本更低的同时，获得更清晰的图像。
• 先进无损检测（NDT）：在航空航天、高速铁路、精密制造等对安全要求极高的领域，这项技术可以像“火眼金睛”一样，以极高的速度和精度探测材料内部的微小缺陷，为国家重大装备和基础设施的安全运行保驾护航 。
• 微观粒子操控：在生物医学和微加工领域，利用MPA技术构建的动态复杂声场，可以像一只“无形的手”一样，精确地移动、分选细胞或微小颗粒，为前沿研究和制造提供强大的新工具 

四、辉煌成就背后的力量：传承与生态

任何一项重大突破都不是凭空产生的，它植根于深厚的历史传承和繁荣的科研生态。回望历史，我们不能忘记那些为中国声学事业奠基的前辈。

从汪德昭院士在1978年亲自率队完成我国首次深海水声实验 ，到被誉为“中国水声工程学科奠基人”的杨士莪院士一生为国“听海”，带领团队实现从浅海到深海的关键跨越 。正是这种跨越数十年、历经几代人的科学精神传承，为今日的创新提供了不竭动力。   

结语

放眼当下，我国在声学及先进材料领域已经形成了充满活力的创新生态。从高水平学术会议提供的交流平台 ，到众多顶尖高校与科研院所形成的研究集群 ，成功攻克“卡脖子”技术、实现高端音响全链路国产化 ，产学研的深度融合正在不断催生新的火花。   南京大学的这项成就，正是这片沃土之上结出的又一枚硕果，它彰显了我国在基础研究和源头创新上日益增强的实力。