南航研发新型声学仪器, 提升微米级测量精度！

【研究背景】

声学位移计量是现代科学技术中的一项重要技术，因其在水下环境、生物组织和复杂机械部件等领域的应用而备受关注。与传统的光学测量方法相比，声波具有高能量传输效率、优良的物体穿透能力和低生物损耗等优点。然而，由于声波频率通常较低，导致其在高分辨率位移测量中的应用受到限制，这带来了实现超分辨率测量的挑战。

近日，来自南京航空航天大学刘云鹏、伏洋洋以及苏州大学物理科学与技术学院徐亚东等人携手在声学位移计量领域取得了新进展。他们设计并制造了一种基于轨道超原子的声学微米计，成功实现了微米级位移的测量。该团队借助拓扑对的概念，利用声学版马吕斯定律，显著提高了位移测量的分辨率。实验中，该声学微米计在3.43 kHz频率下，达到了1.2 μm的分辨能力，表现出超越传统光学方法的优越性能。

此外，通过增加拓扑电荷和减小螺距，研究团队理论上能够进一步提升分辨率，甚至达到无限。这种新型声学位移计量技术不仅具备简单设计、紧凑体积、低成本和高稳定性等优势，还能在非破坏性测试、精密制造和生物监测等超声应用中实现易于集成的设备制造。这一研究为超灵敏位移测量和先进的计量技术开辟了新的可能性，展现出在声学及其他领域的广泛应用前景。

【仪器解读】

本文通过声学阻抗管和高灵敏麦克风等仪器，结合数值模拟，发现了拓扑对（TPs）在轨道超原子中对声学位移计量的关键作用，从而揭示了超分辨率声学位移测量的潜力。针对声波在微米级位移测量中的挑战，通过耦合模理论和干涉效应的微观机理表征，作者得到了声学版马吕斯定律的应用，从而挖掘了声波在复杂环境下的位移测量能力。

在此基础上，通过高频声学信号的生成与分析、干涉强度的测量以及拓扑电荷的调节等多种表征手段，实验结果表明，作者设计的声学微米计能够在3.43 kHz的可听频率下实现1.2 μm的位移分辨率，显著优于传统声学传感器。这一结果着重研究了拓扑对介导的干涉机制，并揭示了如何通过调整微观结构实现更高的分辨率。

总之，经过声学干涉、数值模拟和实验验证等多重表征手段，作者深入分析了声波与轨道超原子之间的相互作用，进而制备了一种新型声学微米计。这一新材料的制备不仅推动了声学位移计量技术的进步，还为超声领域中的非破坏性测试、精密制造及生物监测等应用开辟了新的方向。

轨道超原子中拓扑对（TPs）的概念及其与马吕斯定律类比的干涉效应

参考文献：Chen, C., Li, X., Li, W. et al. Super-resolution acoustic displacement metrology through topological pairs in orbital meta-atoms. Nat Commun 15, 8391 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52593-y