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声音倒流

探索革命性的时间反转镜,一种能够诊断肾结石和检测内部缺陷的超声成像设备。

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马蒂亚斯·芬克(Mathias Fink)发明了一种类似时间机器的装置。尽管芬克称之为“时间反转镜”的设备不会让你穿越到过去或未来,但它确实能在时间上制造一些“幻觉”,或者更准确地说,是在声音上。如果你站在巴黎大学声学实验室芬克的时间反转镜前对着它说话,你会听到一种奇特的回声:你说的话会以完全相反的顺序传回给你。你的“你好”会几乎瞬间地回响成“好你”。芬克迅速指出,他的发明,无论听起来多么古怪,绝非只是一个玩具。在不久的将来,它可能会催生出一种大大改进的超声成像设备,能够诊断肾结石和故障飞机零件等各种问题。

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超声波的频率高于可听范围,就像 X 射线一样,它可以穿透固体。但与 X 射线不同的是,超声波会从软组织边界反射回来,使医生能够看到内部器官。然而,超声波也有其缺点。芬克说,当你在某人腹部放置一个回声探测系统时,大约三分之二的人能获得良好的图像,而三分之一的人则获得非常糟糕的图像。对于身体脂肪较多的人来说,图像质量尤其差,因为脂肪会扭曲超声波并削弱回声。当超声波用于探测金属或石材结构的内部裂缝时,也会出现类似问题:信号常常会被晶体中的微小缺陷或结构的整体形状所扭曲。

芬克和他的同事们找到了一种不寻常的方法来解决这些问题。法国物理学家们的时间反转镜——实际上是一个既是麦克风又是扬声器的单一设备——并没有仅仅发送超声波束并根据回声构建图像,而是发射一个超声波脉冲,接收回声,然后将回声输入计算机。计算机将回声数字化,将其拆解,然后以相反的顺序重新组装——最后到达麦克风的回声部分成为新发射波束的第一部分。这一切都在几千分之一秒内完成。

为什么要费这么大功夫呢?因为通过在时间上反转超声波脉冲,芬克的设备也同时在空间上反转了它:脉冲精确地沿着原始回声从目标返回麦克风的路径重新传播。反转的回声会自动聚拢到目标——比如肾结石——而原始回声则从那里发散开来;无需瞄准波束。由于原始回声的最强部分总是来自某个不连续点——比如在肉体中形成的肾结石,或者喷气发动机中的裂缝——通过一遍又一遍地重复回声反转过程,超声图像会变得越来越清晰。

这个过程的工作原理如下。时间反转镜由大约一百个薄的、长十分之一英寸的压电陶瓷薄片组成——压电陶瓷是一种将声音转换为电能,反之亦然的材料。当回声击中这个阵列时,压电陶瓷棒开始振动,并将电信号发送给计算机。(这些陶瓷棒嵌入环氧树脂中,以防止它们相互干扰。)计算机会记录每个电脉冲的接收时间和来自哪个压电陶瓷棒。

为了构建反转回声,计算机按照接收信号的相反顺序将信号发送回陶瓷棒。振动的陶瓷棒于是产生了一个反转的超声波脉冲,几乎就像时间在倒流一样。而且,由于脉冲的方向是由每个陶瓷棒发出的声波相互作用决定的,因此镜子在反转声音时间序列的同时,也精确地反转了方向。

芬克的团队已经在这个设备上工作了大约八年,但直到最近,主要得益于更快的计算机来处理回声,该设备才达到了实用的门槛。一家大型法国航空航天公司 SNECMA 已经在测试时间反转镜,并成功地在一块锻造钛金属中检测到了小于五十分之一英寸长的内部缺陷。法国的医院对这个镜子也表现出浓厚的兴趣;人们认为,强烈的反转时间声音脉冲不仅可以用于成像肾结石,还可以用于破坏它们。

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