引言

声音,可以用三个维度来描述。来自普朗克研究所智能系统和斯图加特大学的研究人员发现了一种声波全息成像的方法,能够提高超声波诊断和用于材料测试,也可以用于移动和操作粒子

研究简介


普朗克研究所智能系统的小组带头人、斯图加特大学教授Peer Fischer,平时的工作主要集中于微观和纳米机器人领域。然而,他的实验室也在开发纳米制造方法,从而可以制造在水中微小的游泳者。全息影像技术并不是他的核心关切。Fischer解释道,“然而,我们正在寻找一种手段,同时移动大量微观粒子,以便将它们组成更大更复杂的结构。”他的研究团队已经发现了一种方法能够使用声学进行全息成像,成为了这周《自然》期刊报道的首个声学全息图。此方法除了能够进行粒子操作以外,还有一列些的其他应用。

光学全息摄影技术

众所周知,光学全息图提供了一种将摄影带进三维世界的手段。不像传统摄像机所拍摄的照片,全息摄影利用了反射光线达到最大光强的位置信息。物理学家称为波的相位。通过在三维物体上的反射,相位会发生偏移且提供了对象的空间结构的信息。这样让全息图具有三维外观的特性。

传统的声音成像技术

之前,只有物理学家所称为的“相控阵换能器”,能够操纵声波的三维结构。这是许多并排放置的声源的合奏效果,每个声源通过不同的相位延迟,单独地发出声音。然而,这样必须要使用电子设备驱动,这些设备笨重而昂贵。普朗克研究所智能系统实验室的博士研究生Kai Melde这么说,“我们现在无需复杂技术,就可以可以产生三维的声音。”

声波创作的毕加索名画和平鸽



(图片来源于:©Kai Melde / MPI for Intelligent Systems)


研究人员首次展示了一幅全息图,它产生的声压具有毕加索名画和平鸽的形状。微粒悬浮在液体中遵循和平鸽的形状,并且最终形成这幅图像。为了完成这个目标,团队首先需要计算声波的强度和方位。更加明确地说,就是它们的相位需要移动,将鸽子的线条转化为升高的声压。这样一来,他们获取了相位移示意图。然后根据示意图,他们制造了声波全息图:使用一个3D打印机,将塑料加工成一幅浮雕,在其中声音的传播速度快于周围的液体。这个打印机基于所需要的相位延时,应用了不同厚度的材料。

超声波通过凸版背后的全息干涉传播,使得声压能够复制毕加索的和平鸽图画。而且,他们放置了一个容器里面装满了水,并且重点区域有一些微粒,粒子被快速地推成鸽子的形状。研究人员展示了这项技术能够以三维的形式,通过图片’1’、’2’、 ‘3’组成一个全息堆栈。

微粒冲浪和飞翔形成图像



(图片来源于:©Kai Melde / MPI for Intelligent Systems)


Peer Fischer说,“我们的技术并不动态的改变声场的三维结构,但它仍然可以引起动态移动。我们感到惊讶,之前并没有人想到这个创意。”

尽管位于斯图加特的研究人员,不能随意改变声波雕塑,但他们能够让粒子以定义的轨迹移动。他们通过水中的聚合物颗粒展示了这个效果:使用声压全息图,他们在水面生成了一个环形波峰,看上去就像由石头扔进水里所引起的水面涟漪,被他们冻结了一样。漂浮在水面上的粒子,受到声压的影响快速转向波峰,沿着圆圈冲浪,直到声音消失掉。“这种无需接触的方法,使用声音移动粒子,显得很有趣,就像工艺过程的材料运输一样。”Kai Melde说。


应用和未来展望

声波全息图为研究人员操作粒子创造了更多的可能性。除了将粒子暴露在声波中,全息图也可以和超声波一起使用,例如在药物和材料测试领域。“我们的发明能够产生具有复杂形状的超声波场,从而进行小范围的医疗诊断和治疗。”然而,对于声波全息图未来将如何使用,目前还不是很清楚。Peer Fischer说,“但是,我们确定有很多领域可以考虑。”

参考资料

【1】Kai Melde, Andrew G. Mark, Tian Qiu, Peer Fischer. Holograms for acoustics. Nature, 2016; 537 (7621): 518 DOI: 10.1038/nature19755

【2】https://www.mpg.de/10741300/hologram-acoustic-sound?filter_order=L&research;_topic=


声音三维全息成像技术:重新演绎毕加索名画和平鸽
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