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APL《科学之光》|可调电磁声开关 - 开拓零时延低功耗声控新方案
2020.05.08

2020年5月4日,美国物理联合会旗下旗舰期刊Applied Physics Letters以Featured Article形式发表了香港大学浙江科学技术研究院气动力学与声学实验室的研究成果 “A tunable electromagnetic acoustic switch”(一种可调的电磁声开关,论文链接见文末,第一作者:张宇敏),同时美国物理联合会的《科学之光》(AIP Scilight)以“Passive acoustic switch allows for sound wave control without complex electronics”为题目对该工作进行了专门报道(报道链接见文末)。


声波穿透障碍物时,低频声波的穿透率由障碍物的刚度决定,即声穿透的刚度定律;高频穿透性由障碍物的动质量决定,即声穿透的质量定律。张宇敏博士等人通过研究发现在恒流磁场和音圈的耦合系统中,被动电路可以用于构建负质量和负刚度以及正质量,正刚度及正阻尼。研究人员利用电路模拟的质量刚度增加或者抵消原有振动系统的刚度及动质量,改变振动系统的力学特性。以动圈扬声器振膜为例,将无源模拟电路接入扬声器线圈两端,通过设置恰当的电路参数,可以增强振膜的隔声量;接入另一种参数的电路,亦可使声波更容易通过振膜。即该技术可以在增强隔音及增强透射两个方向上打破刚度定律和质量定律。以光学类比,即通过控制电路可改变振膜对声波的“透明度”。实验证明选取两组特定的电路参数时,可使声能量穿透率变化28dB,即25倍。张宇敏博士在《科学之光》采访中认为该器件可小型化,发展为一种无延迟的硬件透传器件(hearing through)。透传是主动降噪耳机的基本功能,人们在马路上佩戴主动降噪耳机,开启该功能可避免佩戴者忽略环境中的危险信号(例如汽车鸣笛)。传统的透传功能是利用麦克风采集环境声通过DSP算法在耳机中重放,具有较高的延时并且有梳状滤波效应,若采用本研究工作中的声开关方案,有希望实现接近零时延及低功耗的透传方案。另一方面,将声开关大型化,可用于控制室内混响,实现可调的室内声学效果。


更为重要的是,该研究证实在麦克斯韦理论框架下的电子电路可以为传统的牛顿物理框架下的动力学系统提供诸如宽频负质量,负刚度及无穷阻尼等超越自然的参数,为超颖材料的设计提供另一种基础原理。另一方面,由于电路的可调性及易控性,该工作为后续的可编程声学控制器提供了新的基础器件。同时,该电可控的声开关亦可能成为构建时变声学器件的关键,而时变声学器件在声波的频率操控方面具有极大的应用潜力。


论文原文:

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Scilight新闻报道:

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实验室简介:香港大学浙江科学技术研究院气动力学与声学实验室作为首批入驻青山湖科技城的科研团队,由香港大学工程学院黄立锡教授担任首席科学家,致力于气动力学,流动噪声,电声,声学材料及工业噪声方面的基础及应用研究。在省科技厅、杭州市政府、临安区政府和青山湖科技城管委会的大力支持下,多次在相关领域内的国际知名杂志上发表高水平论文,并积极开展院企合作及学术交流,将最新的科研成果转化应用,目前已取得多项科研成果及专利。


专题链接:

论文链接:https://doi.org/10.1063/5.0008532

专题报道:https://doi.org/10.1063/10.0001253