时变超快威利斯向量在非互易有源声学超材料中的应用

为什么快速控制声音很重要

从降噪耳机到医学超声，我们对声音的控制通常依赖于在各时刻行为都相同的固定材料。本文探讨了一个根本不同的想法：一种人造的“声学流体”，其性质可以通过电子手段重新编程，甚至在时间上迅速变化。这样的介质可以让声音在一个方向上自由通过而在相反方向被阻挡，或按需将声束绕过拐角——其速度可与声波本身相当。这些能力提示了未来的声学器件可能像现代电子学那样灵活且智能。

构建可编程的声学介质

作者从一种称为威利斯介质（Willis media）的理论概念出发，该概念描述了声压与质点运动以非常规方式耦合的特殊材料。在普通空气或水中，这些耦合受对称性和能量守恒规则的限制。这里，研究团队通过构建一种有源超材料绕开了这些限制：在一个薄的二维波导内放置由小型电子单元格构成的网格。每个单元包含用于感测局部声场的麦克风、用于计算响应的微控制器，以及将声音反馈到介质中的扬声器。通过选择麦克风信号在驱动扬声器前如何相乘和延迟，研究者可以有效地调节所需的刚性、质量以及一个给介质内置方向感的矢量量（“威利斯向量”）。

使声音单向通过而非双向

为展示这种可编程介质的功能，团队首先将由16个单元格组成的网格配置为一块从一侧几乎对声波透明但从另一侧强烈阻挡的薄板。他们调整两个关键参数——有效刚度和方向性威利斯向量——使得当声波沿威利斯向量传播时，薄板自身的响应抵消通常的散射，声波仿佛未遇阻碍般穿过。当相同的声波从相反方向入射时，抵消变为增强，薄板更像一个固体障碍物。关键在于，这种行为由每个单元内部的软件控制增益产生，因此该方向向量的方向和强度可以实时更改。

在时间上旋转材料性质

作者进一步推动这一概念，令威利斯向量像时钟的指针一样随时间旋转。当处于选定频率的声音通过超材料时，内部程序使其优先方向以可选的循环频率扫动。实验表明，当此旋转相对声频很慢时，介质在每一时刻表现得像静态的，按旋转步调重定向散射。随着旋转速率增大到与或超过声波频率，系统不再表现为静态：散射的声音形成短脉冲和频率边带，有效地模拟出一种不同的“时域平均”材料。这表明快速变化的内部设置可以产生任何普通固定物质中不存在的声学响应。

在环形壳体中引导声波

在第二个演示中，研究者将有源单元重构为围绕中心声源的环，将介质变成一种声学环形交叉口。通过编程使威利斯向量沿环的切向指向，他们使声音在一个旋转方向上优先循环。仿真显示，从一侧进入壳体的波被平滑引导并从另一侧出去，而从相反方向来的波大多被反射——这种行为类似于射频技术中使用的三端口“循环器”。当在中心放置一个声源时，环会将其发射重定向，使得出射波束看起来相对于声源的实际方向发生旋转。对威利斯向量的强度和方向进行时变调制会使这个表观波束方向快速摆动，从而实现无需任何机械移动的快速电子控制转向。

这对未来声学控制意味着什么

总体而言，本文表明一组传感器与扬声器单元的网格可以表现为一种宏观声学介质，其方向性可以被编程并随意在时间上旋转。该介质可以使声音在一个方向上更易流动、按方向过滤或绕壳体转向，且能在音频频率下运行，重新配置速度由快速数字电子学决定。对于非专业读者，核心信息是：声音现在可以像现代通信系统中的光或射频波那样被高度灵活地控制，这指向了体积小、可调且用于隔声、波束控制，甚至基于时变材料的声学计算的潜在器件。

引用: Kovacevich, D.A., Popa, BI. Ultra-fast time modulated Willis vectors in nonreciprocal active acoustic metamaterials. Commun Mater 7, 96 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01112-1

关键词: 声学超材料, 非互易声学, 时变介质, 波束控制, 波动控制