這隻鴿子好看嗎？我拿「聲音」畫出來的，只要幾塊錢！
文：漫科普
編輯：窗敲雨
打開開關，散落在水中的白色細小顆粒彷彿突然聽到了召喚。它們「聽話」地聚集在一起，在水中勾勒出了人們熟悉的圖案——那是畢加索筆下的和平鴿。關掉開關，和平鴿的圖案又會消散無形。
通過控制聲場中的聲強大小可使有機硅（聚二甲基硅氧烷）顆粒形成和平鴿圖形。顆粒直徑為150μm。視頻來自：參考文獻1
在水中讓懸浮顆粒「排好隊」的，其實是聲波。德國馬普研究所的研究人員開創了一種簡單有效的聲波控制方法，只需要一片特殊形狀的3D列印塑料片，再加上一台簡單的聲音換能器，就可以控制聲波完成水中「繪畫」了。
這種新方法和現有技術相比，具有精密度更高、速度更快、成本更低的優點，該成果將有助於改善醫療成像並推動超聲的新應用。相關論文於9月21日發表在《自然》期刊上[1]。
聲波如何變成「畫筆」
聲音的本質是振動，它們傳遞著能量。物理學上認為聲音，特別是超聲，能夠像磁鐵產生磁場那樣，產生具有能量的「聲場」。聲場能將能量傳遞給其它物質，周星馳拍攝的電影《功夫》中，包租婆驚人的獅吼功就是傳輸聲波能量產生的殺傷力。
只要聲場足夠強，它就可以「隔空」操控液體或空氣中的小顆粒了。同時，作為一種波，聲波也會發生干涉、衍射，在聲場中形成不同的能量密度分布。而這個能量分布圖，就是「聲全息圖」。能量分布不同，對物體的影響也有差異，於是，通過控制聲場，就可以讓其中的小物體排列成不同的樣子。
這種控制技術之前就已經存在。科學家們會把一系列換能器排成陣列，分別控制它們輸出的聲波信號，以此來形成所需的聲場。這樣能夠讓小物體懸浮在聲波駐波的波節附近，還能控制它們移動。
此前，日本研究者用超聲波相控陣列控制了小物體的三維移動。
不過，這種技術也面臨一個問題：設備複雜、價格昂貴，而且要想實現精細的控制，輸出聲波的陣列就必須做得更加複雜、設備數量更多，這就限制了技術的應用推廣。
而這一次，馬普研究所報道的新方法只需要花幾元錢的成本，就可以製造出一個精細控制的聲場。他們的秘訣是一塊計算機設計、3D列印的塑料片。
五個步驟，畫一隻和平鴿
通過這種新方法畫一隻和平鴿，只需要以下幾個步驟：
第一步，先選好想要的圖形。
第二步:使用一種專業的計算方法——迭代角譜法(IASA)，算出和平鴿的衍射圖樣，即將和平鴿圖樣轉換為全息術能夠識別的「水波紋」。
迭代角譜方法(IASA)計算得出的和平鴿圖案相位分布圖 （2.06 MHz 超聲波）。圖片來自：參考文獻1
第三步：用3D印表機按照上一步計算出的「波紋」，列印出一塊凹凸不平的塑料片。這塑料片的「波紋」看似雜亂，但其中所蘊含的，正是我們需要的和平鴿圖案。
透射和平鴿圖案全息圖的塑料片（邊長50mm）。圖片來自：參考文獻1
第四步：把塑料片覆蓋到換能器上。在塑料片比較厚的地方，聲波要花更長時間才能通過。這樣一來，換能器發出的聲波在通過塑料片之後，原本平均的信號就會發生「扭曲」，產生不同的相位分布。
換能器產生的聲波通過塑料片轉換為平面圖像
第五步：經過轉換之後，聲波在水中傳播。不均勻的聲波在水中產生了壓力差。
研究人員模擬出水受到的壓力大小數值，可以看出聲壓不均勻的分布，紅色代表壓力較大，而藍色部分代表壓力小。
研究人員在水中放入一個裝著有機硅小顆粒的透明容器。打開開關，聲壓就會推動透明容器中的小顆粒。聲壓大的部位，就會把有機硅小顆粒從容器底器推舉到容器頂部。最終，小顆粒就排列出了與聲壓密度分布一致的「和平鴿」圖案。
「描繪」和平鴿的實驗裝置立體構造圖
除了平面圖案，3維控制也同樣不在話下。下圖中，就演示了噴霧的小水滴在聲場中懸浮，組成了立體圖案：
原視頻來自：nature video
同樣，在設計好的聲場中，一隻小紙船也可以按照既定軌道遊動。
原視頻來自：nature video
「聲波畫筆」還能做什麼？
畫和平鴿、開小紙船很有樂趣，但這項技術的用處可遠不止於此。用簡單、高效、快速的方法營造出一個複合聲場，能沿特定路徑移動液體中的固體，也可以將固體和液滴懸浮於空氣中，這可以說在聲學控制領域裡做到了一定範圍和程度上的「為所欲為」。經過改進後，這項技術可以廣泛應用到各種非接觸式的材料處理當中。
當然，這項技術目前最主要的應用方向還是無損檢測、醫用超聲波診斷以及治療。基於其自身的三大優點可以有效提高醫療成像水平和引導新一輪的超聲應用：例如實現對速度和精密度要求更高的超解析度成像、局部加熱以及個體化用藥等等。
參考資料：Kai Melde, Andrew G. Mark, Tian Qiu, Peer Fischer.Holograms for acoustics. Nature, 2016; 537 (7621): 518 DOI: 10.1038/nature19755
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