声聚焦

1. 基础概念
   声聚焦是声波传播过程中，声能量在特定区域集中增强的现象。这与光学中透镜将光线汇聚到焦点的原理类似。在均匀介质中，声波以球面波形式从点声源向外扩散，能量随距离平方衰减。声聚焦的目的，就是通过某种方式改变声波的传播路径，使其在目标区域（焦点）实现相长干涉，从而显著提高该处的声压级。

2. 物理原理与实现方法
   实现声聚焦的核心在于控制声波的波阵面（相位）。主要有两种基本原理：

   • 反射聚焦：利用凹面声学反射镜。根据几何声学原理，当声波入射到凹面镜时，其反射声线会汇聚于凹面镜的焦点。这与抛物面天线收集无线电波或太阳灶汇聚阳光的原理完全相同。焦点处的声压会显著高于周围区域。
   • 折射聚焦：利用声透镜。声波在穿过不同声速的介质时会发生折射。通过设计透镜的曲面形状（如凸透镜）或使用梯度材料（声速在材料内连续变化），可以使穿过透镜中心和外缘的声波路径长度不同，从而调整相位，使其在透镜另一侧的某点同时到达，实现聚焦。

3. 关键参数与分析
   描述声聚焦效果的关键参数包括：

   • 焦距：从透镜或反射镜的中心到声能量汇聚点的距离。
   • 焦斑尺寸：焦点区域的大小。它受到衍射极限的制约，理论上与声波波长和聚焦系统的孔径（尺寸）有关。波长越短（频率越高）、孔径越大，可能获得的焦斑尺寸越小，聚焦越“锐利”。
   • 聚焦增益：焦点处的声压或声强与未聚焦前参考位置（如同距离处的自由场声压）的比值，常用分贝表示。

4. 实际应用与现代发展
   声聚焦技术在多个领域有重要应用：

   • 医学超声：超声成像和治疗（如HIFU-高强度聚焦超声）的核心技术。通过电子相控阵探头精确控制多个阵元发射声波的相位，可以在人体内深处非侵入地形成可移动的声焦点，用于热消融肿瘤。
   • 声学换能器与传感：用于提高水下声呐或超声检测的探测精度和分辨率。
   • 消费电子：定向扬声器。通过超声载波调制和自解调效应，可以在空气中产生一个狭窄的可听声束，实现声音的定向传播（只让特定位置的人听到）。
   • 基础研究：在声镊技术中，利用高度聚焦的声束可以捕获和操纵微米尺度的粒子或细胞。

5. 挑战与局限性
   声聚焦在实际中面临挑战：

   • 衍射极限：声波波长限制了最小焦斑尺寸，对于低频声波，难以实现高空间分辨率的聚焦。
   • 像差与畸变：介质不均匀（如生物组织、海洋温跃层）、界面折射、透镜加工误差等都会导致波前畸变，使焦点扩散、偏移或产生旁瓣，降低聚焦质量。现代技术常采用自适应声学技术进行校正。
   • 非线性效应：在极高声强下（如HIFU），声波传播会出现非线性现象，可能产生谐波并改变预期的聚焦效果，需在设计中予以考虑。