基於可調諧超表面的聲學渦旋濾波器：選擇性濾波與非對稱傳輸

Khái niệm cốt lõi

本文提出了一種基於雙層可調諧超表面的聲學渦旋濾波器 (AVF)，它可以根據聲渦旋衍射定律，通過簡單地旋轉超表面來改變其內稟拓撲電荷，從而選擇性地濾除特定拓撲電荷的入射聲渦旋，並實現非對稱聲波傳輸。

Tóm tắt

論文概述

本研究論文題為《基於可調諧超表面的聲學渦旋濾波器》，發表於期刊 [期刊名稱待補充]。本文介紹了一種基於雙層可調諧超表面的聲學渦旋濾波器 (AVF)，該濾波器可以選擇性地濾除攜帶不同軌道角動量 (OAM) 的入射多路複用渦旋。

研究背景

聲波是遠距離水下通訊的唯一選擇，但傳統聲學通訊通道的容量受限於低工作頻率和低速度。近年來，攜帶軌道角動量 (OAM) 的渦旋波束作為一種新的自由度，為解決聲學通訊帶寬問題帶來了希望。然而，除了產生聲學 OAM 外，對 OAM 的後續操控也至關重要，特別是 OAM 濾波技術，它可以濾除無用通道並按需選擇性地提取特定通道。

研究方法

該 AVF 由上層聲學超表面 (UAM) 和下層聲學超表面 (LAM) 組成，通過機械旋轉 UAM 可以調節其內稟拓撲電荷 (ITC)。根據聲渦旋衍射定律，當不同拓撲電荷的 OAM 波束垂直入射到 AVF 上時，ITC 的選擇會顯著影響其傳輸特性，從而實現 OAM 濾波功能。

研究結果

研究人員通過理論分析和數值模擬，驗證了該 AVF 可以通過簡單地調整 UAM 的旋轉角度來選擇性地濾除具有兩個相反拓撲電荷的入射多路複用渦旋波束。此外，他們還通過仿真和實驗驗證了該 AVF 可以實現非對稱渦旋波束傳輸，並在 160 Hz 的頻寬內實現了超過 3 dB 的傳輸損耗對比度。

研究結論

本研究提出了一種基於雙層可調諧超表面的聲學渦旋濾波器，為按需提取和濾除聲學多路複用渦旋提供了一種有效方法。該 AVF 可通過簡單的機械旋轉實現對特定拓撲電荷聲渦旋的選擇性濾波和非對稱傳輸，在基於 OAM 的水下聲學通訊中具有潛在應用價值。

Thống kê

工作頻率範圍：2260 Hz 至 2350 Hz
傳輸損耗差異：約 3 dB
非對稱傳輸效率：左向入射為 72.0%，右向入射為 17.2%
傳輸損耗差異：左向入射為 1.43 dB，右向入射為 7.65 dB
非對稱傳輸頻率範圍：約 160 Hz

Trích dẫn

"our AVF could support tunable asymmetric transmission of the OAM via simple mechanical rotation."
"Our work offers an approach to selectively filter the incident acoustic vortex, which improves the capability to control the acoustic OAM via metasurfaces."

Thông tin chi tiết chính được chắt lọc từ

Acoustic Vortex Filter Based on Tunable Metasurfaces

by Liulin Li, B... lúc arxiv.org 10-11-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.07609.pdf

Yêu cầu sâu hơn

這項技術如何應用於更複雜的水下環境，例如存在噪聲和多徑效應的情況下？

在複雜的水下環境中，噪聲和多徑效應會對基於聲學渦旋濾波器 (AVF) 的通訊造成以下影響：

噪聲干擾： 水下環境噪聲，例如海洋生物噪音、船舶航行噪音等，會疊加到攜帶信息的聲渦旋波束上，導致信號失真。由於不同拓撲電荷的聲渦旋彼此正交，AVF 本身具有一定的抗噪聲能力。然而，在強噪聲環境下，需要進一步研發抗噪聲技術，例如：

波束賦形技術： 通过优化发射阵列的相位和幅度，将声波能量集中在目标方向，减少噪声的影响。
信號處理技術： 利用自适应滤波、盲信号分离等算法，从接收信号中分离出目标信号和噪声。

多徑效應： 由於聲波在水中傳播時會被海面、海底以及其他物體反射，接收端會接收到多條不同路徑傳播的信號，造成信號間的干擾，即多徑效應。為了解決這個問題，可以採用以下方法：

多輸入多輸出 (MIMO) 技術： 利用多個發射器和接收器，结合信号处理算法，分离和解调多径信号。
均衡技術： 通过对接收信号进行均衡处理，补偿多径传播带来的信道失真。
正交頻分複用 (OFDM) 技術： 將高速數據流分成多個低速數據流，通過不同的正交子載波發送，有效抵抗多徑干擾。
總之，要在複雜的水下環境中應用基於 AVF 的通訊技術，需要綜合考慮噪聲和多徑效應的影響，並結合其他聲學和信號處理技術來提高系統的可靠性和穩定性。

如果入射聲渦旋的拓撲電荷不是離散的，而是連續變化的，那麼該 AVF 的濾波性能會如何變化？

如果入射聲渦旋的拓撲電荷不是離散的整數，而是連續變化的，那麼 AVF 的濾波性能會受到影響，主要表現為：

濾波性能下降： AVF 的設計是基於離散拓撲電荷的聲渦旋衍射定律。當入射聲渦旋的拓撲電荷是連續變化時，衍射定律不再完全適用，導致 AVF 無法完全濾除不希望的聲渦旋模式。
出現旁瓣： 由於連續變化的拓撲電荷可以看作是多個離散拓撲電荷的疊加，AVF 會產生對應於這些離散拓撲電荷的衍射波束，形成旁瓣，降低濾波器的選擇性。
為了應對這種情況，可以考慮以下解決方案：

設計更精細的 AVF： 通過增加 AVF 的單元數量、優化單元結構等方式，提高 AVF 的相位調控精度，使其能夠更好地適應連續變化的拓撲電荷。
採用混合濾波技術： 將 AVF 與其他濾波技術相結合，例如利用聲學超材料設計的帶阻濾波器，進一步抑制不需要的聲渦旋模式。
開發新的信號處理算法： 研究針對連續拓撲電荷聲渦旋的信號處理算法，例如利用压缩感知技术，从接收信号中恢复出携带信息的连续拓扑电荷。
總之，針對連續變化的拓撲電荷，需要對 AVF 的設計和信號處理方法進行改進，才能保持良好的濾波性能。

基於超材料的聲學操控技術的發展，是否可以為我們帶來全新的通訊方式和信息處理方式？

是的，基於超材料的聲學操控技術的發展，為我們帶來全新的通訊方式和信息處理方式帶來了巨大的潛力，例如：
全新的通訊方式：

聲學渦旋通訊： 利用聲學渦旋攜帶信息，可以突破傳統聲學通訊的带宽限制，實現更高容量、更高效的數據傳輸。
水下高速通訊： 聲波是水下遠距離傳輸的最佳載體，而超材料可以構建高效的聲學天線和濾波器，有望實現高速率、遠距離的水下通訊。
安全聲學通訊： 利用超材料可以設計具有特定方向性和可控散射特性的聲學器件，實現定向發射和接收聲波，提高聲學通訊的安全性。
全新的信息處理方式：

聲學計算： 利用超材料可以構建聲學邏輯門、聲學存儲器等基本元件，實現基於聲波的信息處理和計算，為發展新型計算機提供新的思路。
聲學成像： 超材料可以操控聲波的相位、振幅和偏振，實現亞波長分辨率的聲學成像，應用於醫療診斷、無損檢測等領域。
聲學能量收集： 利用超材料可以設計高效的聲學能量收集器，將環境中的噪聲轉化為電能，為自供電設備提供能源。
總之，基於超材料的聲學操控技術為我們提供了操控聲波的全新手段，有望突破傳統聲學技術的瓶頸，為通訊和信息處理領域帶來革命性的進步。隨著研究的深入，我們可以預見更多基於超材料的聲學應用將會不斷湧現，為人類社會帶來福祉。