声学形态发生学：单材料被动散射结构实现高效宽带声彩虹效应

研究人员针对传统声学结构难以实现宽带被动散射调控的难题，通过计算形态发生学（computational morphogenesis）设计出波长尺度单材料散射结构，成功开发出效率"超统一"的声彩虹发射器（ARE）和声波分束器，在7.6-12.8 kHz频段实现声场的空间-频谱解耦，为仿生声学器件设计提供新范式。

　　

声波在自然界中扮演着至关重要的感知角色，从哺乳动物耳廓到海洋哺乳动物的声呐系统，生物进化出了精妙的有机结构来实现复杂的声散射和频散现象。然而，人工设计的声学结构始终难以匹配生物结构的性能，现有技术多依赖流体介质中的主动换能而非被动散射原理。更关键的是，传统方法只能在窄频带实现单一共振频率的定向调控，而自然界普遍存在的宽带空间-频谱声场解耦（spatio-spectral decomposition）始终未能实现。这一技术瓶颈严重限制了声学器件在传感、通信等领域的应用潜力。

为解决这一挑战，研究人员在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究中，创新性地将计算形态发生学（computational morphogenesis）应用于声学设计。通过建立基于目标场匹配的优化框架，采用伴随灵敏度分析（adjoint sensitivity analysis）和移动渐近线优化算法（method of moving asymptotes），在2D/3D模型中求解非均匀亥姆霍兹方程（inhomogeneous Helmholtz equation），最终设计出完全由硬质散射单元构成的被动声学器件。

声彩虹发射器（ARE）的突破性设计
通过拓扑优化得到的ARE结构包含28个特征性散射单元，当中心单极源（monopolar source）发射7.6-12.8 kHz白噪声时，该器件能将不同频率的声波定向投射至-50°至+50°的连续空间区域。实验测量显示，其辐射效率在目标频段均超过自由空间辐射（"above unity"效率），最大主瓣-旁瓣差达20 dB。特征敏感性分析表明，前部反射结构和多通道干涉路径是宽带调控的关键，移除关键特征可使性能指标Φ恶化450%。

声波分束器的精准调控
为验证方法的普适性，研究人员还设计了λ分束器，成功将6.5-8.4 kHz和9.4-12 kHz声波分别导向+35°和-35°方向。近场声压图显示，目标频段内82-88%的声能集中于设计方向，且不同频段的辐射方向几乎完全分离，证实了该方法在复杂声场塑造中的精确控制能力。

物理机制与仿生启示
研究表明，这些器件通过多路径声波干涉实现宽带调控，而非依赖共振效应。值得注意的是，ARE的特征14-19与人类耳廓的螺旋结构（helix）功能相似，而特征1-3则类比于耳屏（tragus）的高频调控作用。这种形态学相似性暗示了生物声学结构的优化原理，为理解自然选择下的声学适应机制提供了新视角。

这项研究开创了被动声学器件设计的新范式，其单材料、非共振的设计理念显著降低了能量损耗，在声学传感、噪声控制和仿生设备等领域具有重要应用价值。更深远的意义在于，该方法可推广至光学和射频波段的波场调控，为跨学科的波物理研究提供了通用技术框架。