大功率电声转换技术突破声辐射物理极限

湖南大学电气与信息工程学院教授杨鑫课题组与华中科技大学教授祝雪丰，中国工程院院士、湘潭大学材料科学与工程学院院长欧阳晓平团队，纽约市立大学教授Andrea Alù合作，利用数字控制技术和碳化硅MOSFET开关器件，首次在大功率电声发射领域创建了数字非福斯特（Non-Foster）系统。

该系统通过对端口输出电压与电流之间的幅相关系进行控制，从而实时合成具有频散效应的“反常识的”负阻抗特性，实现了亚波长共振系统的带宽增强，打破了电声转换的Chu物理极限，在声波和电磁波远距离信息传输与探测等领域具有重要应用前景。5月21日，该成果该发表在Nature Communications上。

非福斯特元件也就是“负电容”或“负电感”，它违背了福斯特电抗理论，在自然界中并不实际存在，必须要通过有源器件和负阻抗变换进行实现。

非福斯特元件诞生以来，人们对它的理解和研究在不断探索和拓宽。然而，模拟非福斯特电路由于无源RLC器件元件值和公差的限制，可用的参数空间有限，且无法连续实时调节。现有非福斯特元件宽带匹配能力和实际应用潜力难以发挥。

杨鑫课题组通过对端口输出电压与电流间的幅相关系进行任意控制，从而实时合成具有频散效应的等效负阻抗特性。通过在数字微处理器中预编译的自适应比例谐振控制器，实现对不同工作频率良好的主动跟踪性能和实时可调能力。此外，使用开关电力电子器件实现在功率等级上飞跃式提高。

更重要的是，团队通过控制器设计确保传递函数的极点在较大的参数范围内保持在复杂平面的稳定部分，成功地规避了非福斯特电路固有的不稳定性。研究提出的数字非福斯特电路能在远距离图像传输过程中提供稳定、具有频散效应的实时等效负阻抗特性，并与模拟非福斯特匹配网络对比，将电声发射装置的工作带宽提高了五倍以上，功率处理能力提高了三个数量级以上。其原理和方法可被广泛应用于各类亚波长共振系统装备，有重要的工程应用价值。

空气声道中图像传输实验装置图与结果对比图。受访者 供图

论文审稿人认为，这项研究对该领域具有重要意义，值得关注；比广泛研究的线性non-Foster匹配要灵活得多，并可提供更高工作功率水平和更好的效率。

研究得到了国家自然科学基金和湖湘人才聚集工程项目资助。此外，杨鑫教授课题组在大功率电声发射领域已申请17项专利（已授权10项）。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48861-6