浸大研发神奇的噪音“消失术”

试想象一下，你和朋友正在咖啡店，一边畅所欲言一边享受着咖啡。同一时间，仅几步之隔的人正专注学习，丝毫不受欢声笑语的影响，根本听不到你们制造的“噪音”。千万别误会，这个人没有配戴任何降噪耳机之类的器具，更不是失聪了。这是声波超界面调控混响声场而产生的神奇效果。

浸大研究发现让人们同处一室免受噪音打扰

声波超界面调控混响声场 无须调整声源或摆放物

香港浸会大学物理系副教授马冠聪博士及其团队在2018年设计出一种以薄膜型声学超材料为单元构成的可编程声波超界面(acoustic metasurface，如图1右侧所示) 。它能透过电磁铁独立操控每个单元在两种共振模式中转换，而这两个不同共振模式下的单元对声波的散射特性有所区别。因此，将这些可调控的单元排成阵列，就能够对透射声进行多自由度的相位调控，从而影响室内的模态分布及不同位置的局域声场。

图1：可调控的单元排成阵列对透射声进行多自由度的相位调控

在实验上，研究团队利用电脑程序控制声波超界面，实现了压制或是增强房间内某个选定位置在某一频率下的声场强度的效果（如图2所示），而且这一过程无须手动对声源或是其他散射体进行任何调整，只需要对程序输入调控目标，最佳化演算法就会自动寻找可以达到该效果的最优构型。例如在咖啡厅的例子中，利用声波超界面就可以压制谈话产生的声波传播到角落。

图2：最佳化演算法自动寻找可达到该效果的最优构型

然而，这一结果距离实际应用的场景还有一定距离，因为我们日常能接触到的声音绝大多数都不是稳态的，而是瞬变的，例如一句话、或是一段音乐。因此，在2022年，研究团队又在最新的研究中进一步展示了利用声波超界面对宽频瞬态声场的有效调控。他们在实验上操控与先前工作相同的声波超界面，成功实现了对一个房间内脉冲响应(impulse response)的调制。

同样地，他们使用一个优化程序，声波超界面能够对一个特定的脉冲响应不同时间处的幅值实现明显的增益或是压制（如图3所示），且同样无须对声源与摆放的物品进行任何调整。这意味着超界面对时变、瞬态的声场可以在产生明显的操控，使得声波超界面的应用向实用化更接近了一步。例如当一个人在房间内说话，通过超界面的调控可以让其中的字词不被在另一个角落的人听到，或者是听成其他的词语这样的神奇“幻像”变成可能。

图3：声波超界面的应用向实用化更接近了一步

声波超界面可操控复杂散射 对未来有启发作用

不论是在空间还是时间上，声波超界面能够影响混响声场分布的关键在于，混响声场内每个位置的局域声压都可以被处理为一系列独立分量的线性迭加，并且其中的每一个分量在房间里的场分布都是由房间总体的散射特性共同决定的，这其中就包括了声波超界面的散射。因此，只通过改变超界面的局域散射特性，我们就能够对房间内其余位置和时间上的声场产生影响。换而言之，声波超界面可以将传统上被认作是麻烦的复杂散射当作可操控的自由度充分利用，反而可以达到自由声场中无法轻易实现的效果，这一发现对复杂声场物理性质的理解有进一步的启发作用。

浸大物理学优秀的年轻学者——马冠聪博士

马冠聪博士表示，希望他和研究团队的一系列工作能够为声学领域的发展，特别是复杂的混响声场的理解和调控开辟新的方向。他期待不久的将来，能够通过这类声学超界面突破更先进的声场操控技术。

最新获悉，浸大理学院物理系副教授马冠聪博士获得香港研究资助局（RGC）2022/23“研究员计划”（Research Fellow Scheme）资助，并获颁“研资局研究员”（RGC Research Fellow）称号。与此同时，支持该项研究的香港浸会大学也将为期五年获得港币5,155,380的研究基金。