科学与社会

时间倒车镜

借助换能器网络,物理学家将声音发回到声音的源头,仿佛时光倒流。现在,我们使用这些时间反转功能来破坏肾结石,检测材料缺陷或与潜艇进行通信。

Mathias芬克 科学档案编号32
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在巴黎物理化学学院波浪与声学实验室的一个房间里,参观者可以站在麦克风和扬声器网络的前面。如果他在设备前讲话,他的话会回到他身上,但会倒退。 “ Hello”几乎立即返回转换为“olé”。乍一看,这种声音反馈似乎微不足道:颠倒播放录音以达到相同效果还不够吗?是的,但是我们实验室开发的系统具有特殊性:它可以将声音准确地返回到其来源;而不是从扩音器传播到整个房间,“ ole”会聚在访客的嘴上,仿佛时光倒流。这种现象是由声波的时间反转操作引起的,实现该现象的换能器网络就像一个时间反转镜。

时间倒转不仅仅是一个有趣的物理实验:它开始被用来破坏肾结石,控制物质或在海洋中交流。在物理学中,时间倒转镜也用于测试基本概念。

声音是波浪。当我们讲话时,我们会在空气中产生从口腔传播的振动,就像从石头的撞击点在水池表面传播的涟漪一样。波具有基本特性,可用于声学逆转:当两个波在同一位置通过时,如果它们各自的峰和谷重叠,则它们彼此增强;如果一个顶点的顶点与波峰匹配,则它们彼此抵消。空洞的。每当不同的声波相交时,就会发生这种叠加或干扰现象。例如,在音乐厅中,建筑师应提防这种干扰:由于墙壁和其他固体表面以回声的形式反射声音,因此会产生干扰,因此只有精心制作的设计才能阻止声音进入房间。房间退化了。

声波的逆转还基于波物理基础机制的可逆性。当上下颠倒地投影波的传播膜时,所产生的波仍然服从波物理方程。力学定律共有这种可逆性,例如,它描述了台球的弹性行为。但是,除了少数简单的情况外,从来没有人观察到台球轨迹的“时间倒转”。这种不可能是由确定性混乱造成的:球的初始位置或速度的微小变化会极大地改变其最终位置。

想象一下,用某种弹球机射击一个带有随机固定的一百个障碍物的球。即使在计算机模拟中,球的轨迹也是不可逆的。在允许球进行数十次碰撞后,当球停下来并通过反转其速度反向发送回球时,球无法设法将其路径追溯到起点:大约十次后大约碰撞,它错过了应该撞到的障碍物,其余的路线也被修改。在力学定律的模拟中,计算中的最小舍入会导致时间倒转失败。但是,计算机始终会截断它们处理的数字。同样,在实际经验中,您永远都无法以正确的方向和正确的速度以相反的方向使球返回。

相反,波的传播受线性定律控制:对初始波的较小干扰不会对最终波产生太大的影响。因此,尽管不可避免地存在测量误差,但是如果我们记录最终的波并以相反的方向发送回去,我们会得到一个波,它与初始波在与初始波相反的方向上移动,类似于微小的缺陷。

时光倒流的镜子

我们的时光倒车镜记录了来自访客嘴巴的“你好”声音。组成这些镜子的每个麦克风都通过房间中的所有障碍物测量来访者口中发出的“你好”的声音,所有这些信号都记录在电子存储器中。记录完“ hello”的最后一个组成部分后,我们进入时间反转阶段,该阶段包括“以口头”重新读取所有电子存储器。更准确地说,每个麦克风接收到的信号的时间顺序是相反的(而不是音节的顺序)。最后播放的信号将首先播放,反之亦然。然后,所有麦克风同步进入扬声器模式,并由存储在电子存储器中的反相信号馈入。现在,从扬声器网络发出的是一个声波,该声波遍历其过去生活的所有阶段,并以与原始“ hello”相同的轨迹在房间中传播,并最终在口腔中传播。演讲者。

为了轻松制造这些镜子,使用了压电换能器,该压电换能器在同一组件上结合了麦克风和扬声器这两个功能。

时间逆转还要求以热的形式耗散的能量要少:热是空气中分子的随机运动,而声音则对应于按长度尺度排序的集体运动。浪潮,仅凭这一点就可以在我们的经历中及时扭转。此条件与机械实验中低摩擦的需求具有相同的性质。实际上,台球永远不会反向运动,因为在途中,由于与支撑物的摩擦和空气的阻力而使它们减速。但是,这些球无法通过``反向''轨迹上的``反向''制动值重新加速。

当通过耗散产生的能量损失足够低时,这些波所遵循的方程式就可以确保,对于从声源发出的每种声音,理论上都有一组波,它们将在相反的方向上遵循完全相同的轨迹。声音的来源。即使传播介质由于物体的存在以及反射,散射和折射声音的密度变化而变得复杂,也可以验证此特性。然后,倒转的波与在途中的曲折相同,同时在源处会聚,就好像时间在反转一样。 1988年,我们制造并测试了这种时间倒转声镜,用于在与生物组织相当的中等异质性介质中进行超声波传播。

一项说明使简化倒时镜的构造成为可能:换能器阵列不需要连续即可确保最佳的倒时。衍射定律告诉我们,将换能器分布在间距(两个换能器之间的距离)等于所用最小波长的一半的阵列上就足够了。出于相同的原因,波聚焦在一个点上,该点不能小于所用最短波长的一半。换句话说,有关源的信息小于此大小会丢失。

理想情况下,换能器阵列应覆盖房间的所有墙壁,包括地板和天花板,以便可以产生整个最终波(见图1)。在实践中,几乎不可能用换能器完全包围光源,并且人们对有限面积的换能器阵列即时间倒转镜感到满意。显然,信息丢失了,并且镜面尺寸越小,焦点尺寸越大。此现象类似于使用大镜面获得的图像与使用小镜面获得的图像之间的分辨率损失。实际上,在过去的20年中,配镜师一直在研究时间倒转镜的光学等效物:相位共轭镜。对于在可见范围内以正弦波振动的波,这些设备使观察光束的回射成为可能:无论相对于镜的位置如何,光都朝着其源反射。但是,这些反射镜无法返回可见光的所有细节,其振幅调制将是超快的,这在声学方面是众所周知的。

混沌弹球机

1994年,我和Arnaud Derode,Philippe Roux通过类似于上面提到的混沌弹球机的介质进行了超声时间倒转实验。波浪在2000条平行的金属棒之间反射,这些金属棒随机分布在一个水箱中(见图2)。在一个微秒内,一个小型传感器发出了一个脉冲,该脉冲通过该棒的“森林”传播到96个传感器的线性阵列。该网络首先检测到第一个波前,对应于声音信号以直线传播穿过森林的那部分,然后检测了近200微秒的第二个看似混沌的波。该混沌波是散布在障碍物上的所有小波之间的干扰的结果,并且这些小波在杆之间采取了多种可能的路径。

在实验的第二部分中,我们在时间上翻转了这些信号,并使用水听器来测量接收到的波的原始位置。光栅通过茎林向后传播了大约200微秒的信号,但是在源处恢复的信号是一个大约微秒持续时间的脉冲,就像最初发出的那样。我们还进行了无杆实验。令人惊讶的是,使用杆的翻转效果更好:使用杆时,临时翻转的光束聚焦在一个点上,是没有杆时的六倍。的确,茎林内部的多次反射重定向到初始波的镜面部分,如果没有这些障碍,它们将错过换能器阵列。在时间反转操作之后,所有这些漫射介质的行为都像会聚透镜一样,好像反射镜的孔径大六倍,因此分辨率要好六倍。

这些实验表明时间倒转现象是稳定的。一方面,结果是好的,因为记录的信号是通过模数转换器采样的,这引入了数字化误差。另一方面,在小部分波长(0.5毫米)的光栅和杆小的运动之后,时间倒转仍然会产生良好的结果。相反,在类似的粒子实验中,结果将是灾难性的,因为每个粒子都遵循明确定义的路径,并且速度或初始位置的微小误差足以使粒子忽略障碍物,并且其后续路径完全消失改变了。在波向各个方向传播的情况下,振幅会更加稳定,因为它会导致来自所有可能路径的干扰。

硅上的时间倒转

如果将时间倒置换能器的数量减少到一个,结果将是什么?我们如何将有关源的所有信息重定向到单个时间反转传感器?我们将信号源和换能器封闭在一个“遍历”的空腔中,并具有完美反射的壁。如果台球桌的边缘是弯曲的,例如在体育场中,它将是遍历人体的:无论击球的初始方向如何,最终球都会从台球的任何位置通过。同样,在遍历遍历的空腔中,只要您等待足够长的时间,信号源发出的所有声波都会到达换能器。

三年前,与Carsten Draeger一起,我们演示了使用单个换能器在截断的硅片表面传播的弹性波的时间反转(请参见图3)。放置在点A处的源换能器发出了一个圆形的表面波,持续时间为一微秒。然后,位于B点的时间反向换能器记录了超过50毫秒(即初始脉冲持续时间的50,000倍)的混沌信号,对应于边缘上初始脉冲的一百次连续反射光盘。然后,我们暂时返回了记录的信号的两毫秒,并通过位于B处的换能器重新发射了该信号。使用光学干涉仪,我们观察到弹性波在硅表面周围产生的垂直位移。从A点开始

然后,我们在点A处看到了原始脉冲的显着恢复,该原始脉冲聚焦在空间中大约一半波长的半径上,并且在时间上持续了一个数量级。微秒。利用边缘处的反射,时间翻转的波场从各个方向收敛到原点,并产生一个圆形斑点。以B记录的返回波形,持续时间为2毫秒(对应于近2000次振荡的叠加),是使代码可以精确地聚焦于B点上的A点的代码。可以用作密码系统的基础,在密码系统中,一个人将根据来自B的不同代码在空腔的不同点生成脉冲。

时间倒转镜在水下声学通信中也很有用。在浅水中,常规系统的性能很差,因为声音会在底部和水面之间被反射掉,因此单个脉冲会像遍历空腔一样向接收器发出多次回声。但是,水下通道的“墙壁”不是遍历遍历的,并且时间倒转镜必须具有多个换能器。斯克里普斯研究所(Scripps Institute),圣地亚哥大学和意大利萨克兰特水下研究中心的研究人员最近建造了一个20元素的倒时镜,他们在意大利沿海进行了测试。 (见图4):这面镜子将声波聚焦在120米深的水中,长达30公里。与使用铁棒进行的实验一样,返回光束的焦点远低于传统声纳获得的焦点(观察到分辨率提高了50倍)。鲁克斯博士和我使用超声波波导进行了类似的实验,其中发生了多次反射。将返回的波聚焦在空间和时间上会产生非常强大的声脉冲,我们可以利用它产生冲击波。

在倒时镜的许多可能应用中,最令人感兴趣的是超声:在发出短脉冲之后,可以检测到目标返回的回波。因此,我们探索了人体,获得了海床的图像(用于探测地雷,潜艇或掩埋的物体),测试了机械部件(无损检查,寻找裂缝或默认值)。在所有这些情况下,高质量的检测都需要非常精细的声束。但是,许多传播介质会使光束扭曲并使聚焦降低。例如,在医学成像中,超声波在到达目标(例如肿瘤或肾结石)之前会穿过脂肪,骨骼和肌肉。如何在不知道超声波束如何失真的情况下纠正其变形?时间倒车镜克服了这些困难。

超声检查

首先,换能器阵列的一部分通过介质发送一个简短的脉冲,以“照亮”要研究的区域。如果介质中存在目标,则该目标会反射波,网络会记录并暂时返回并重新发射此反射波。时间逆转保证了返回的波将聚焦在目标上,尽管介质越过产生扭曲。

当要研究的区域仅包含一个目标时,这种自聚焦技术非常有效。另一方面,对于多个反射目标,问题更加棘手。然后通过重复几次该过程来选择目标。想象一下简单的情况,其中介质具有两个反射率不同的目标。来自较亮目标的初始脉冲回波具有比来自反射率较低目标的回波更大的幅度。因此,第一次返回的信号将一个较大幅度的波聚焦在两个目标的反射率更高的位置上。这些波的回波使最亮的目标更加突出,经过几次迭代后,获得了优先聚焦在该目标上的信号。更复杂的技术可以选择反射最少的目标。

在时间逆转的所有医疗应用中,对肾脏和胆结石的破坏是最先进的(请参见图5)。使用常规的超声或X射线成像技术,可以精确定位此类结石,但是周围的组织会阻止超声波的足够聚焦,从而有效地粉碎结石。另外,结石会随着呼吸而移动,因此难以跟随。仅有30%的镜头达到了微积分,仅被几千个镜头摧毁。

超声时间反转技术优化了镜头:经过时间反转操作的几次迭代后,超声束聚焦在计算中最反射的区域上。然后可以将高功率返回波发送回目标,该目标专注于计算并销毁它。可以重复此过程以实时跟踪计算的运动。我和让·路易·托马斯(Jean-Louis Thomas),弗朗索瓦·吴(FrançoisWu)共同开发了一种直径20厘米的倒时镜,专门用于此应用。重点关注和随访程序已在两家医院成功进行了测试。

超声热疗是另一有希望的医学应用。在这种技术中,使用高强度超声波对患病的组织进行加热:高于65°C的温度会在几秒钟内破坏生物组织。使用常规技术聚焦超声的设备已经在市场上出现,但是它们的应用仅限于静态组织,例如前列腺癌。心脏和呼吸运动限制了腹部和心脏的应用。为了克服这个问题,密西根大学的Emad Ebbini及其同事正在开发自动对焦网络。与Mickael Tanter和Jean-Louis Thomas一起,我们正在研究大脑的热疗。我们要聚焦穿过颅骨的波,使颅骨显着折射和散射。另外,头骨是多孔材料:它在热量中耗散了一部分波能,并通过波传播方程的时间反转而破坏了对称性。我们已经开发出一种聚焦技术,可以在时间反向操作之前纠正这些耗散效应。通过这种技术,我们将超声波束穿过头骨,聚焦在1.5毫米的斑点上(见图6)。

故障检测

我们还使用了倒车镜来检测零件中的缺陷。当缺陷很小,零件的形状复杂或材料不均匀时,缺陷检测就会很棘手。通常,试件和换能器浸没在游泳池中,但是当光束穿过水和固体之间的界面时,光束会由于折射而偏转,从而难以检测出微小的缺陷。另外,在固体中,超声波会产生不同类型和极化的各种波。我们已经表明,使用倒时镜的聚焦技术会自动补偿所有这些影响。作为与snecma(国家航空发动机研究和建造协会)合作的一部分,我们与F. Wu共同开发了由128个传感器组成并能够检测飞机发动机用钛合金的低对比度缺陷。钛具有异质的微观结构,会产生令人讨厌的超声噪声,因为它掩盖了缺陷产生的回声。通过时间反转的迭代,我们在直径250毫米的钛坯中检测到0.4毫米的缺陷,其信噪比比传统方法好得多。

既然声波的时间倒转技术已经在实验室中很好地掌握了,则需要进行应用工作。反转“ hello”很有趣,但是将“olé”聚焦在说话者的嘴巴上的原理也可以用于生成声全息图:例如,可以对换能器阵列进行编程以使其聚焦同时在一个人附近发出“ hello”声音,在另一个人附近发出“ hello”声音。

除声波以外的其他波也可以及时翻转。工程师们正在利用电磁波探索这些技术在脉冲雷达中的应用。另一类波发生在量子力学中:描述物质的量子波函数。当电子的波函数到达导体与超导体之间的边界时,会出现类似于时间反转的逆向反射。如果我们能够扭转量子波,我们将目睹什么魔术!

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