互动科普

换能器阵列能再现声音并将其发射回声源，就宛如时间被反转一般。此声学过程可用于粉碎肾结石、材料探伤及与潜艇通信。

巴黎波与声学实验室的一个房间里有一排话筒和喇叭。如果你站在这个阵列前对着它讲话，你说的每个字都会被反射回来，只是顺序颠倒了。比如你说的“hello”几乎在顷刻之间便回响为“olleh”。最开始这种现象看来似乎跟倒带一样平常，但它却有一点不同寻常之处：声音恰好被投射回声源。如上例中的“olleh”的声音，它并不是通过喇叭扩散到整个房间，而是汇合入你的嘴里，几乎就象时间本身被反转了。事实上，这种现象，被称作时间反转声响效应，你面前的换能器阵列起着“时间反转镜”的作用。

这些时间反转镜并不仅仅是新奇而已。它们有一系列的应用，包括破坏肿瘤和肾结石、探测金属中的缺陷、长距离通信以及探测海洋中的矿藏。它们还能用于理论物理中的精密实验。

由于声音由波组成，所以使得魔术般的时间反转声响效应成为可能。当你说话时，空气便发生振动并传播开来，那情景就象一块石头落入池塘时溅开一圈圈涟漪。波的基本特性是，当两个波经过同一点时，如果它们的波峰和波谷分别叠加，彼此就得到加强：如果一个波的波峰与另一个波的波谷叠加，则相互抵消。只要有声音传播，这个过程就频繁发生。而四l声从墙壁或其它障碍物上反射回来时，与相同波的不同部分混叠。音乐厅的设计者必须特别注意声波的这些特性，这样在他们设计出的音乐厅里，高质量的声音会传播到大厅听众所在的各个角落。

引起时间反转声响效应的另一个重要特性是，假如时间反转，则波的基本物理过程将不会改变。如果你倒放一部关于波的电影，波仍然遵循正确的运动法则。这同样适用于普通质点力学一(决定着台球等物体规律的学科)，但是，除了一些简单的情况以外，实际上没有人能使质点力学实现“时间反转”。问题在于混沌现象，质点最初位置的微小改变都可能导致其最终位置的巨大变化。

例如，我们来看看一种弹球机，它可发射弹球使其穿过一系列固定的障碍物(这些障碍物是随机设置的，总数为100个)。即使是计算机模拟也不能使弹球沿原先的轨迹逆转弹射来——在大约十几次碰撞后弹球便错开一个它本应撞上的障碍物(或是撞上一个它本应错开的障碍物)，此后路径就完全不同了。在计算机模拟中，细小的舍入误差(这类误差发生在计算机贮存数字和进行数学运算时)就足以让时间反转出错。而在实际实验中，要想使弹球恰好沿原先的轨迹逆射回去是不可能的，最终的弹射结果又将完全改变。

与之相比，波的传播是线性的，即是说，初始波的微小改变只会引起最末波的微小变化。而且，复制“最末”波并使它逆向运动(伴有不可避免的微小失真)将导致传播并重新产生“初始”波，“初始”波也是逆向运动，且只有相对微小的失真。

时间反转镜

巴黎实验室里的声学时间反转镜正是运用了波的线性传播原理，成功地把“olleh”送回到参观者的嘴里。最末波就是出自参观者之口并经过传播到达话筒阵列的“hello”声。每个话筒探测到到达跟前的声波(即声音)，把行进信号传送到贮存数据的计算机处。当“hello”声的余音平息时，计算机反转每个话筒的信号，并以各话筒的信号恰好同步的方式，通过相应的喇叭把被反转的信号传送回去。从喇叭阵列产生的波与最末波非常近似，它反向传播，横跨过房间，沿着原先“hello”声的路径传送回说话者的嘴里。每个话筒／喇叭对可以组合成一个单独的设备，例如压电换能器，它在声波经过时将声音转换成电压，而当电压信号加在其上时它就象喇叭一样振动发声(见图1)。要产生时间反转声响效应，声波必须在不丢失过多能量(耗散为热量)的条件下传播(热是单个气体分子进行的随机运动而不是声波中分子的群体运动)，即类似于要求质点运动力学实验中几乎没有摩擦。例如，要使球桌上的台球按原轨迹返回是不可行的，因为球在行进中会因摩擦和空气阻力而减速，而对于这种减速无法正确地实现时间反转的加速。

当波传播中的能量散失足够小时，则由波的方程式可证：对于每个由声源发散出的声音脉冲，理论上都存在着一系列波，它们可精确地按照声音的原先路径返回到声源。即便传播介质由各种密度不同的物质组成——这些物质对声音产生反射、散射和折射作用——上述结论仍然成立。逆转的声波将沿着所有错综复杂的路径传播回去，并同步会聚到原先的声源处，就仿佛时间在倒流一般。1988年我的研究组创造并试验了这样一个声学时间反转镜，它利用了超声波，使其在类似于生物组织的略为不均匀的介质中传播。

可能你觉得换能器阵列间必须无缝隙才能重现无缝反转波。但由于波的衍射作用，在波传播时宽度为半波长的缝隙将被填充满。因此，放置换能器时，让它们之间相隔最小半波长的距离，这样就不会影响重建波的质量。但是，由于同样的道理，波重新会聚的点其大小不小于最小半波长。小于此尺寸的声源的细节将会丢失掉。

理想情况下换能器阵列布满房间的墙面，甚至布满地板和天花板，才能产生整个“最末波”(见图1)。实际上常常不可能使声源的周围全部布满换能器，并且时间反转通常在换能器阵列的一个有限区域内发生，我们称它为时间反转镜(TRM)。当然，一些信息会丢失，而时间反转镜的孔径越小，会聚点就越大。这恰恰跟光学器件里的情况很相似，即镜面大的望远镜获得的清晰度比镜面小的远镜获得的更高。其实，对光学系统中TRM的类似物——相共轭镜的研究已有大约20年之久了。这种相共轭镜表现出回射性(不论光相对于反射镜的位置如何它都会反射回光源)，但它对于变化的光信号不能产生时间反转。

混沌的弹球

1994年我和我的两个学生——ArnaudDerode和Philippe Roux——证明了超声波通过媒体发生的时间反转类似于前文提到的产生混沌状态的弹球机。这个结论令人吃惊。实验中所用到的障碍物由一系列随机放置的浸入水槽中的平行钢棒组成，这些钢棒足有2000根(见图2)。从一个小型换能器中发出的声波脉冲持续1微秒(1μs)，它穿过“钢棒林”，传送到一排压电换能器上(换能器共有96个)。换能器阵列探测到一个最初的波阵面，它是部分声音直接穿过“钢棒林”形成的；波阵面后紧跟着一长串持续时间高达200微秒的杂乱声波，它意味着初始波脉冲的一部分在钢棒间沿所有可能路径散射开来。

实验第二步，我们对信号进行时间反转，用水听器测量到达声源处的波。尽管换能器阵列通过产生杂乱散射的“钢棒林”反射回持续200微秒的信号波，在声源处还是重新产生了大约1微秒的脉冲。在没有钢棒的情况下我们也进行了上述实验的两个步骤。奇怪的是，在有发生散射作用的钢棒存在时，时间反转波束聚集的点比没有钢棒时小6倍。这个自相矛盾的结论可以这样解释：“钢棒林”中的多次反射使部分初始波的方向被改变，射到了镜面上，而本来换能器阵列将探测不到这部分波的。在时间反转过程之后，整个多次散射介质扮演的角色有点象聚焦透镜，似乎使镜面孔径增大了6倍，因而清晰度也提高了6倍。

该实验还表明时间反转过程异常稳定。将记录的信号用具有量化误差的模／数转换器采样。而且，如果换能器阵列和钢棒被移动了波长的若干分之一趴离(例如0．5毫米)，时间反转效应仍会产生一一这与粒子实验中出现的情况完全相反。粒子实验中的每个粒了遵循一条明确的路径，而波却是沿所有可能路径传播，并以所有可能的汇集方式传到所有发生散射作用的物体上。初始速度或初始位置的一个微小误差都会使粒子错开障碍物，彻底改变以后的路径。但波的振幅却稳定得多，因为它是由所有可能路径的干涉决定的。在混沌的环境中，波性要比粒子性持久得多，而时间反转镜(TRM)的聚焦能力也得到了加强。

硅片上的时间反转

有了聚焦和持久性这些概念之后，我们便想知道是否时间反转换能器的数目可以缩减为1个。但如何才能使有关声源的信息改变方向，朝着单个的时间反转换能器传送呢?我们决定作一个试验，把声源和换能器封入反射性良好的壁内，造出一个具有特殊性质(名叫遍历性)的空腔。象体育场那样两端呈曲线形的无摩擦台球桌具有遍历性：向几乎任何方向撞击的球最终将经过桌上的每个位置点。与之相似，在具有遍历性的空腔中声源发出的所有声线都将经过换能器——如果我们等待的时间足够长的话。

3年前，我和我的学生Carsten Draeger利用在一块硅片表面传播的弹性波证明了单个的换能器能够发生时间反转(见图3)。在A点的源换能器传送出一个持续时间为l微秒的环形表面波，而B点的时间反转换能器则记录下一个持续时间超过50毫秒(是最初脉冲时间宽度的5万倍)的混沌信号，这个持续时间相当于初始脉冲从硅片边缘进行100次反射所需要的时间。接着，B点的换能器将信号中长为两毫秒的一部分进行时间反转并重新发射出去。我们用光学干涉仪扫描A点周围的硅片表面以观察弹性波引起的硅片表面细微的纵向位移。

给人留下深刻印象的源脉冲再现过程发生在A点，再现的源脉冲聚焦于半径约为半波长的圆点上，脉冲宽度约l微秒。时间反转波各波段通过边界上的反射，从各个方向朝源点汇聚，从而产生一个圆点。持续时间为两毫秒的时间反转波形(大致相当于2000个复杂的振荡)恰恰就是从B点到A点聚焦所需要的编码。可以设想建立在此规则上的编码法，它使用从B点发出的信号在空腔的不同点产生脉冲。

多路径传播在海洋声学中很常见，它限制了水下通讯系统的能力，而TRM也可以弥补这一点。问题发生在浅水区，声音在浅水中传播就好象在波导管里传播一样，被海底和海面所反射，因此单个传递的脉冲就在接收处产生多个与它相同的脉冲，就象在遍历性空腔里发生的情况那样。但是，海洋信道的边界并不具有遍历性，所以TRM必须包含有为数众多的换能器。最近，加州拉霍亚市斯克里普斯海洋学研究所和意大利拉斯佩齐亚市SACLANT海下研究中心的研究人员在意大利海岸外的地中海建造并试验了一个TRM，这个TRM由20个换能器组成(见图4)。在Tuncay Akal，William Hodgkiss和William A．Kuperman的领导下，这些研究人员在约为120米深的水中证明了其时间反转镜可将声波聚集到30公里远的地方。类似于散射钢棒实验中的6倍增强效果，时间反转声束聚焦而成的圆点也远小于用标准声束形成水下探测系统观察到的圆点。我和Roux使用超声波波导管进行了类似研究，实验中发生了多次反射。我们利用时间反转波的聚焦特性和时间的高度再压缩特性产生了一个极高能量的声脉冲，它可用于激波的产生。

TRM应用尤为广阔的领域是脉冲回声探测，在此探测中发射点发出一个短脉冲并探测从一个到多个目标处反射回来的回声。脉冲回声探测的可能应用范围很广，包括从医学成象到无损探伤(指检查材料，例如工业上用于检查部件有无裂缝和瑕疵)，再到水下声响效应(可搜寻矿藏、潜艇或是埋藏的东西)。高质量探测需要的一个共同要素是锐声束，而由于介质的存在，每种应用场合都不易在目标处获得这种声束。可能在医学成象中这个问题尤为明显，这种场合要求发射的超声波能穿过脂肪、骨头和肌肉，到达诸如肿瘤和肾结石之类的目标。用TRM实现的脉冲回声探测可以避免这个问题。

脉冲回声探测

首先，换能器阵列的一部分发出一个短脉冲，短脉冲穿过可产生失真的介质，照射到需要探测的区域。接着，被目标反射回阵列的波被记录、经时间反转后重发。该时间反转过程确保在介质产生失真的情况下时间反转波能聚焦到目标上。

当区域内只有1个目标时，这种自我聚焦技术极为有效。如果有几个目标，问题就更复杂了，但也可以选择单个目标，方法是重复上述过程。考虑最简单的多目标情况，即介质中包含两个目标，其中1个目标的反射性比另1个强。初始脉冲在强反射性目标处产生的回声比在弱反射性目标处产生的回声更强烈一些，因此，最初的时间反转信号将把波聚集在每个目标上，但聚集在强反射性目标上的波能量更高。而这些波的回声朝强反射性目标传播的倾向将越来越强，经过几次重复后就可产生一个主要聚集于强反射性目标上的信号。采用更为复杂的技术才能选择弱反射性目标。

在脉冲回声TRM的医学应用中，最易取得成果的领域莫过于破坏肾结石和胆结石了(见图6)。传统的超声波或X射线成像能精确地确定结石的位置，但很难聚集超声波使其透过周围组织从而摧毁结石，并且结石在随着呼吸移动时难于跟踪。估计只有30％的波束(或射线)到达结石，因此摧毁1个结石需要数千波束(或射线)。超声波时间反转技术可以解决这些问题。

在重复了几次脉冲回声时间反转过程之后，超声波束密集地聚焦在结石上反射性最强的区域。接着可以用断续的放大脉冲来粉碎结石。当结石移动时可重复上述过程，以对结石进行实时跟踪。我与Jean—Louis Thomas及Francois Wu已经为此应用而开发了一个TRM(其直径为20厘米)，并已在两家法国医院里用它实现了对试管中结石的跟踪和摧毁过程。

另一个大有希望的应用是超声波医学高热治疗，它要求用高强度超声波加热组织。在高于60摄氏度(即140华氏度)的温度下组织在数秒内就遭到破坏。采用传统技术聚焦超声波的设备已经上市，但仅用于静止组织(如癌变的前列腺)。由于呼吸和心跳运动的原因，腹腔和心脏方面的应用受到限制。密执安大学的Emad Ebbini及其研究组正在开发自我聚焦阵列来解决这个问题。我的研究组则从事于脑部高热治疗的研究。我们面临的挑战是透过颅骨聚焦——因为颅骨会大量折射和散射超声波束。颅骨的孔隙将造成能量的巨大损耗(它们从波中吸收能量)，这就破坏了波动方程的时间反转对称性。我们已经开发出一种新聚焦技术，即把损耗结果的修正值加到标准的时间反转上去。该技术允许发射可透过颅骨的超声波束，并将其聚集到一个 1.5毫米大小的圆点上(见图7)。

TRM的另一个重要应用是通过无损探伤来检测固体中的缺陷。对于具有复杂的几何形状或者使用由不均匀材料或各向异性材料制造的部件，它的细微缺陷是很难探测的。通常我们把待检试样和超声波换能器浸入水中，但是在水和固体的接触面上发生的折射能改变波束的传播方向，使得检测细小缺陷变得更为困难。并且，超声波还能在周体中产生各种波偏振和波形。而我们业已证明采用TRM的自我聚焦技术可自动解决这些问题。在与法国国家飞机发动机研究和制造协会联合实施的一个项目中，我们已研制出一种由128个换能器组成的时间反转镜，用于探测喷气式发动机的钛合金上的低反差缺陷。钛的微细结构极不均匀，产生出大量的散射噪声，这些噪声掩盖了缺陷的回声。我们的试验表明，重复脉冲回声法能够检测出直径为250毫米的钛圆锭上小达0．4毫米的缺陷，并能提供比其它技术更好的信噪比。

目前在实验室很容易实现时间反转声响过程，但在完善实时临床应用及工业应用等方面遇到了阻碍。逆转人发出的“hello”声有点象晚会上的小把戏，但利用将“olleh”回声聚集入说话者嘴里的相同原理，稍经计算机加上就可在房间里产生声全息图。例如，可以对换能器编程，使它能把“hello”声聚集到一个人身旁，同时把“bonjour”声(法语：早安)聚集到另一个人身边。

时间反转技术的应用还可扩展到除声波之外的其它类型的波。雷达领域的某些研究人员正在利用微波范围内的电磁波来探索它在脉冲雷达上的可能应用。另一类波产生于量子力学，即描述所有物质的量子波函数。事实上，当电子波函数击中普通导体与超导体的界面时，可以产生一类回射。如果把时间反转应用到量子力学中的波上，那么将会发生些什么稀奇古怪的现象就只能由你去设想了。