声学与超声物理

近二十年，声学与超声物理从「一个换能器发波、一个接收器看回波」走向对整个波场的设计与反演。第一幕（2006–2016）的八条各自换掉一条老规矩：坐标变换把隐身写成密度—模量张量，膜型单元在100–1000赫兹带内突破质量定律，随机矩阵把多散射从噪声改成孔径，声辐射力剪切波把肝硬度写成波速，光声层析用声子携带光学对比，平面波复合把聚焦搬进软件，相控阵全息在单侧悬浮粒子，微泡定位把分辨率推到波长十分之一。第二幕（2016–2026）的十二条各自遭遇一次清算：Floquet边缘态的鲁棒性只对一部分缺陷成立，奇异点传感的增强被同源噪声抵消，纯相位全息片的幅值不可控，经颅调控要先扣除听觉旁路与温升，组织碎化的「无热」只对空化云型成立，被动空化图的轴向是孔径伪影，体声波声子的微秒寿命不是极限，学习型波束形成的对比度可被动态范围伪造，绕障与多阱操纵的力受非线性刚度封顶，高阶拓扑的角态未必受保护。本块二十条的共同判据是：设备标称参数不能替代靶区实测——颅骨、散射、空化、温升、听觉旁路与算法口径都必须进入分母。

第一幕的共同动作，是把散射、衍射、质量定律与帧率上限这些「障碍」改写成可反演、可编程或可并行采集的自由度。

甲、变换声学隐身Transformation-Acoustic Cloaking

2007年以前，降低一个物体的声散射只有两条路：吸声或缩小尺寸，二者都以牺牲后向波前为代价。Cummer与Schurig把电磁变换光学的坐标映射搬到二维声学，证明在流体声学方程下，把一块圆盘区域「拉开」成一个环所需的代价，恰好是一个径向与切向不同的惯性密度张量加一个体模量分布；数值模拟里这层壳把圆柱障碍的散射压到接近零，同时后方波前得到重构（Cummer 2007，Ref.[1]）。

它推翻的不是某个隔声指标，而是「声散射截面是障碍物的属性」这一默认。变换声学把散射截面改写成障碍与外壳的联合属性，可设计量从材料的标量阻抗变成一个二阶张量场，隐身从此有了一个可以写出解析式、并逐点与实测比对的目标分布，而不是靠经验拼配吸声层。

这条路很快撞到Norris的清算：他在2008年给出声学隐身的一般理论，证明只用各向异性惯性密度实现的斗篷，其总质量在理想隐身极限下发散，也就是说2007年那组参数越接近完美隐身越造不出来；有限质量的出路是把体模量而非密度做成各向异性，即五模材料，或二者混合（Norris 2008，Ref.[2]）。争议因此不在「隐身能否发生」，而在密度型与模量型两条实现路线各自的质量预算与带宽。

实验侧的验证走了折衷路线。Zigoneanu、Popa与Cummer 2014年在空气中做出三维全向地毯隐身：用穿孔塑料板堆成的金字塔壳，在千赫兹量级空气声下把地面上一个障碍的反射波前恢复到接近平坦地面的形状，且对入射方向不敏感；代价是它只对紧贴反射面的物体成立，并非自由空间隐身（Zigoneanu等 2014，Ref.[3]）。这条读数把「隐身」的验收对象从散射截面比换成了反射波前与裸地面波前的相位差，是一个更弱但可实测的量。

2020年以后的推进集中在水下与宽带：Zhou等2022年用三组元超材料做出水下宽带宽角地毯隐身，把地毯型方案从空气推进到阻抗高一千倍量级的水介质（Zhou等 2022，Ref.[4]）。至今没有任何实验在自由空间、宽带、任意入射三条同时成立的条件下实现声学隐身；本条的边界正是Norris质量发散定理所划的那条线，五模材料是否能在可制造的密度范围内把它推过去，是仍未结算的账。

乙、局域共振负动态质量Locally Resonant Negative Dynamic Mass

低频隔声的旧规矩是质量定律：透射损失每增加6分贝，面密度就要翻一倍，所以100赫兹量级的声音只能靠厚重墙体阻挡。Yang、Mei、Yang、Chan与Sheng 2008年做了一个直径几厘米、厚度不到一毫米的单元——张紧的弹性膜中心贴一块小配重——在100到1000赫兹范围内测得透射损失远高于同面密度的质量定律预期，并在两个本征模之间出现近乎全反射（Yang等 2008，Ref.[5]）。

解释的关键在「动态质量」：当膜的中心配重与膜面以反相运动时，单元的平均动量与外加压力反向，等效于一个负的质量密度；负质量段落在第一与第二本征频率之间，恰是全反射发生的频带。这把隔声从「用多少克」改写成「让哪一段频率的动量反向」，面密度不再是决定低频隔声的唯一自由度。

这条命题的争议出在有效参数的个数。Muhlestein、Sieck、Wilson与Haberman 2017年用一维非对称单元测得非零的Willis耦合系数：对一个前后不对称的局域共振单元，如果只允许它有一个密度和一个模量，两个方向测得的有效参数会互相矛盾；只有加进把应力与速度、动量与应变交叉起来的Willis项，参数才唯一（Muhlestein等 2017，Ref.[6]）。这直接反驳了膜型单元「负质量足以描述」的默认——对非对称配重的膜，负质量只是Willis耦合被压平后的投影。

Quan等2021年把这条线推到破时间反演对称的情形，证明当单元中存在环流或旋转时，Willis耦合可以是奇的，即交叉项不再互为转置；这意味着有效参数不仅要多一项，而且要多一种对称性分类（Quan等 2021，Ref.[7]）。2008年的负动态质量因此被放进了一个更大的本构框架里：它是对称单元的特例，非对称与非互易单元各有自己的一栏。

对隔声工程的后果是，报告一个膜型单元不能只报透射损失峰值和峰值频率，还必须报单元的前后对称性与测量方向；同一块膜从两侧测得的透射损失若不相等，就说明Willis项非零，负质量的解释已不够用。本条至今没有被推翻的是100到1000赫兹带内突破质量定律这一实测读数；被推翻的是它的解释只需两个参数。

丙、随机介质中的时间反演聚焦Time-Reversal Focusing in Random Media

常规超声成像把多重散射当作噪声：一旦介质厚到几个散射平均自由程，回波里单散射分量被淹没，目标就看不见。Aubry与Derode 2009年把阵列的全部收发响应写成一个随机矩阵，证明单散射分量在该矩阵里沿反对角线保持确定性相关，而多散射分量的奇异值服从随机矩阵理论给出的四分之一圆律；用这一差别做滤波，可以在钢棒森林这类强散射介质中把被多散射掩盖的目标重新检出（Aubry 2009，Ref.[8]）。

随机介质中的时间反演聚焦推翻的是「多散射越强、成像越差」这一单调假设。由格林函数互易性出发，时间反演镜把记录到的多径回波反转重发，各条路径在源点同相叠加；散射越强，有效参与聚焦的路径越多，焦斑反而越窄——这与自由空间里孔径决定分辨率的规矩方向相反。

反方的分析早于这篇实验。Papanicolaou、Ryzhik与Sølna 2004年给出时间反演在随机介质中的统计稳定性条件：只有在带宽足够宽、使许多不相关频率分量共同平均时，聚焦结果才与介质的具体实现无关；窄带时间反演的焦斑会随介质实现而涨落，「记录—回放」本身并不保证稳定（Papanicolaou等 2004，Ref.[9]）。这把2009年读数的成立条件写成了可数的量：带宽乘以传播时延的相干带宽数。

第二个边界是时间。互易性只在记录与回放之间介质不变时成立；活体组织的血流与呼吸把这一窗口压到毫秒到秒量级，超过这一窗口，反转后的相位记忆丢失，多散射从孔径增益回落为噪声。2009年的钢棒森林是静止的，这一条在原始实验里没有被测试。

Lambert、Cobus、Frappart、Fink与Aubry 2020年把随机矩阵思路推进为畸变矩阵：把聚焦反射矩阵投影到源—像基上，直接从活体组织的反射数据里分离像差分量并反演，无需已知的引导星（Lambert等 2020，Ref.[10]）。至此随机介质中的时间反演聚焦这条的验收对象从「能否检出目标」改为「畸变矩阵秩截断后残余像差与理想焦斑的能量比」，是可以在不同阵列间对齐的读数。

丁、剪切波弹性成像Shear-Wave Elastography

2004年以前，组织硬度只能靠触诊或准静态压缩估计，深部器官与定量比较都做不到。Bercoff、Tanter与Fink 2004年让聚焦超声推力点以超过剪切波速的速度沿深度移动，形成马赫锥式的平面剪切波源，再用每秒数千帧的平面波成像追踪波前，从波速反演出每个像素的剪切模量图（Bercoff等 2004，Ref.[11]）。

Muller、Gennisson、Deffieux、Tanter与Fink 2009年把这套系统用到人体肝脏，在健康志愿者身上得到活体肝的剪切模量与黏性两张图，并给出剪切波在不同频率下的色散曲线；这是剪切波弹性成像第一次在人体深部器官上同时报出弹性与黏性两个量（Muller等 2009，Ref.[12]）。此后肝纤维化分期成为该技术的主战场。

剪切波弹性成像推翻的是「硬度只能定性」这一临床默认，但争议很快落到「波速图上的一个像素是不是组织的一个点」。Rouze、Wang、Palmeri与Nightingale 2012年用仿体与模拟证明，二维剪切波速估计的分辨率由时间到达差的估计核尺寸决定，核越大噪声越低但硬包体边界处的波速偏差越大；同一硬包体在不同核尺寸下可以差出可观的比例，波速图不是逐点对应的弹性图，而是被核平滑过的图（Rouze等 2012，Ref.[13]）。

第二层争议是各厂商之间的可比性。同一位病人在不同机型上测得的肝硬度可以落在不同分期，原因既有各家追踪算法与推力序列的差异，也有黏弹性色散使不同激励频带给出不同表观波速。Barr等2020年的共识更新因此不再给一个通用阈值，而是把声辐射力技术的肝硬度判读写成「四的规则」：5、9、13、17千帕四个分界，分别对应正常、需要综合判断、临床显著、门脉高压高风险，并要求报告仪器与测量条件（Barr等 2020，Ref.[14]）。

至此剪切波弹性成像这条的验收对象从「测得一个硬度值」改为「同一病灶在给定核尺寸与激励频带下的波速偏差范围」。仍未结算的是各向异性与预应力：肌肉与肌腱的剪切波速随纤维方向变化可达数倍，用各向同性杨氏模量换算的数值在这些组织上没有物理意义，这条边界在2004与2009两篇里都被排除在实验对象之外。

戊、光声层析Photoacoustic Tomography

纯光学成像在组织里走不过一毫米，因为光子被强散射打乱；纯超声成像分辨率好但对比来自机械性质，看不见血红蛋白与黑色素。Wang与Hu 2012年把光声层析整理成一条从细胞器到器官的尺度链：同一物理机制下，改变激光聚焦与超声探测的组合，空间分辨率从亚微米连续过渡到毫米，成像深度从百微米过渡到数厘米（Wang与Hu 2012，Ref.[15]）。

光声层析推翻的是「光学对比与成像深度不可兼得」这一默认。声波在软组织中的散射系数比光小两到三个量级，光吸收产生的压力波因此可以在超声分辨率下被阵列接收，光学对比的携带者从光子换成了声子。

争议出在定量。Cox、Laufer、Arridge与Beard 2012年系统指出光谱着色问题：组织内某一点的局部光通量本身随波长和深度变化，两个波长下测得的光声幅值之比等于「吸收系数比乘以通量比」，而不是吸收系数比；不先反演通量分布，从多波长光声信号直接算血氧饱和度就会得出与真值相差可观的结果，且误差随深度增大（Cox等 2012，Ref.[16]）。2012年《Science》综述里的血氧图因此只能读作相对量。

这条清算把光声定量从一个信号处理问题改成了一个耦合的光传输—声传播逆问题：必须同时反演吸收、散射与格林乘子，而这三者在单一波长下不可分辨。此后十年的定量光声方法都围绕如何加入先验或多照明几何来打破这一简并。

Na等2022年用一台1024元半球阵列在人脑上做出功能光声计算层析，在完整头皮与颅骨之外记录到任务态血流动力学响应，是本条第一次在成年人脑上的功能验证（Na等 2022，Ref.[17]）。其读数仍是相对响应而非绝对血氧，Cox等2012划出的定量边界没有被跨过。

己、平面波超快成像Plane-Wave Ultrafast Imaging

常规B超逐线聚焦发射，每帧要发射上百次，帧率被声速与深度锁死在几十赫兹。Montaldo、Tanter、Bercoff、Benech与Fink 2009年用一次倾斜平面波照亮整个视场，全阵列并行接收后在软件里对每个像素做延迟叠加，再把若干个不同倾角的图像相干复合；他们给出的读数是，若干十个倾角的相干复合可以在分辨率与对比度上追平常规多焦点成像，而帧率仍保持在千赫兹量级（Montaldo等 2009，Ref.[18]）。

平面波超快成像推翻的是「发射聚焦决定图像质量」这一默认。聚焦被从发射端搬到接收端并进入软件，帧率与图像质量从此由复合角度数这一个旋钮连续调节，剪切波追踪、超快多普勒与后来的定位显微术都建立在这条读数之上。

争议出在运动。Denarie等2013年指出，相干复合把不同时刻发射的角度图像相加，若目标在两次发射之间移动了可比于波长的距离，各角度回波的相位就不再对齐；他们在快速运动的心脏组织与血流上测得，复合角度越多、运动伪影越重，图像质量随角度数先升后降，并给出了按运动速度校正相位的方案（Denarie等 2013，Ref.[19]）。「角度越多越好」只对静止或慢速目标成立。

第二层争议是「延迟叠加是不是一个算法」。Perrot、Polichetti、Varray与Garcia 2021年梳理平面波成像里各种延迟叠加实现，指出它们在切趾、F数、相干求和方式与包络处理上差异很大，同一份通道数据在不同实现下的对比度与分辨率读数可以相差可观，许多号称超越延迟叠加的新方法其实是在与一个未说明参数的弱基线比较（Perrot等 2021，Ref.[20]）。

至此平面波超快成像这条的验收对象从「帧率与图像质量」改为「给定运动速度下，随复合角度数变化的对比度曲线的转折点」。仍未结算的是深部与强衰减组织：平面波单次发射的能量摊到整个视场，深处信噪比比聚焦发射差，复合角度数在这些部位受限于回波信噪比而非运动，这条边界在2009年的仿体与浅表实验里没有被触及。

庚、声学全息操纵Holographic Acoustic Manipulation

2015年以前，空气声悬浮几乎只有驻波一种做法：两个相对的换能器夹出节点，粒子只能在节点上被动停住。Marzo、Seah、Drinkwater、Sahoo、Long与Subramanian 2015年用40千赫兹的相控阵在单侧合成三类声全息元件——双阱、涡旋与瓶形——把聚苯乙烯小球悬浮在阵列前方并用相位更新使其平移与旋转，无需对面的反射板（Marzo等 2015，Ref.[21]）。

声学全息操纵推翻的是「悬浮需要驻波、操纵需要机械移动换能器」这两条默认。全息元件把阱的形状写进相位分布，阱可以在空间中被编程移动；操纵对象从粒子变成了声场本身。

争议出在力的模型。Marzo等用Gor'kov势计算阱位置，该势只在粒子远小于波长时成立。Baresch、Thomas与Marchiano 2016年在水中用单束聚焦涡旋声束抓住尺寸可比于波长的弹性小球，证明此时起作用的是梯度力与散射力的三维平衡，Gor'kov势的预言在这个尺寸段既给不出阱的位置也给不出稳定性；他们的读数是单束阱在轴向与横向都能抵抗重力与声流（Baresch等 2016，Ref.[22]）。「全息操纵」于是被分成两段：瑞利段用势阱，米氏段用矢量力平衡。

第二层边界是介质。空气中的全息操纵在40千赫兹下波长约八毫米，粒子尺寸被限制在毫米量级；在水中把频率推到兆赫兹后，可操纵对象缩到细胞尺度，但声流与热效应同时进入力的平衡，阱的稳定性不再只由声场几何决定。

Rufo、Cai、Friend、Wiklund与Huang 2022年的方法综述把全息操纵放进声流控谱系，列出从表面声波到体声波各类装置对细胞与颗粒的操纵力量级与吞吐量，并明确写出每类方法的粒子尺寸适用段（Rufo等 2022，Ref.[23]）。至此声学全息操纵这条的验收对象从「能否悬浮」改为「给定粒子尺寸与波长之比时，阱位置预测值与实测值之差」，Baresch等2016划的那条尺寸线是这个比值的分界。

辛、超声定位显微术Ultrasound Localization Microscopy

超声成像的分辨率被衍射极限锁在波长量级，在经颅与深部成像所用的低频下只有毫米级，看不见微血管。Errico等2015年把光学单分子定位的思路搬到超声：注入临床剂量的微泡，用超快平面波成像以每秒五百帧记录数分钟，在每帧里把彼此分开的单个微泡定位到亚波长精度，累积后在大鼠全脑得到分辨率约为波长十分之一的血管图与逐支流速（Errico等 2015，Ref.[24]）。

超声定位显微术推翻的是「超声分辨率由波长决定」这一默认。分辨率从波长改由定位精度与累积微泡数共同决定，而定位精度取决于信噪比与微泡的稀疏程度，波长只进入每帧能同时分开多少个微泡这一环节。

争议出在时间。Hingot、Errico、Heiles、Rahal、Tanter与Couture 2019年证明，要把某一支血管画出来，至少要有一个微泡流过它；毛细血管的流量最低，需要的采集时间最长，分辨率与采集时间之间的折衷不是由算法而是由微血管流量分布决定；在大鼠脑上，把最细一级血管填满需要的时间以分钟计，而运动伪影随采集时间同步累积（Hingot等 2019，Ref.[25]）。「秒级超分辨」只对大血管成立。

Demené等2021年在患者头颅上做出经颅定位显微术，穿过完整颅骨得到脑深部血管图与流速，颅骨像差用声速模型校正；这是本条第一次在成年人经颅条件下的临床验证，代价是像差校正后的定位精度比无骨条件差（Demené等 2021，Ref.[26]）。

Heiles等2022年发布公开基准PALA，在同一套仿真与活体数据上比较七种微泡定位算法，读数是定位误差、检出率与最终分辨率在算法之间相差可观，同一份原始数据在不同算法下给出的血管图不完全一致（Heiles等 2022，Ref.[27]）。至此超声定位显微术这条的验收对象从「达到的分辨率」改为「给定采集时间与算法下，最细一级血管的填充率」，Hingot等2019的流量折衷是这个填充率的物理上限。

第二幕的共同动作，是给第一幕与新平台各自加上一道反方读数：鲁棒性按缺陷分类、灵敏度按信噪比、剂量按靶区实测、对比度按动态范围无关口径。

一、Floquet拓扑声学Floquet Topological Acoustics

拓扑绝缘体的声学版本一度被认为必须打破时间反演对称，需要旋转流体或主动调制。Peng等2016年用一组亚波长耦合环形声波导做出反常Floquet拓扑绝缘体：波在环间的周期性跳跃扮演了时间周期驱动的角色，在体带隙里出现沿边界单向传播的边缘声波；他们在空气中测得边缘态绕过若干人为引入的缺陷与拐角而透射几乎不变（Peng等 2016，Ref.[28]）。

Floquet拓扑声学推翻的是「拓扑保护需要磁性或旋转」这一默认。保护来自Floquet带结构的绕数而非Chern数，被动的环形网络就能给出非平庸拓扑，声学从此成为验证拓扑带理论最便宜的平台。

争议出在「鲁棒」二字。Orazbayev与Fleury 2019年对声学C6与谷霍尔两类拓扑波导做了定量鲁棒性分析，把缺陷按是否破坏保护对称性分类并逐类测量透射：对保持对称性的缺陷，边缘态透射确实接近一；对破坏对称性的缺陷——包括最常见的谷间散射型缺陷——透射下降幅度与普通波导可比，「免疫」在这些缺陷上不成立（Orazbayev 2019，Ref.[29]）。这把鲁棒性从一句口号改成了一张缺陷分类表。

2016年的读数因此要重新标注：Peng等演示的缺陷恰好都属于不破坏Floquet周期性的那一类，这是实验设计的选择而非拓扑保护的普遍性。此后声学拓扑文献开始区分「对称性保护」与「真正的手性保护」，后者只在打破时间反演的系统里成立。

Zhang、Zangeneh-Nejad、Chen、Lu与Christensen 2023年把声学与光子学的拓扑现象梳理为第二波：非厄米、非线性与高阶拓扑取代了早期对鲁棒传播的单一追求，鲁棒性被要求写成对具体缺陷类别的透射谱（Zhang等 2023，Ref.[30]）。至此Floquet拓扑声学这条的验收对象从「边缘态存在」改为「按缺陷对称性分类的边缘态透射矩阵」。

二、非厄米声学传感Non-Hermitian Acoustic Sensing

传感器的老规矩是「要测量就要扰动」：一个吸收声能的探头必然在声场里留下阴影。Fleury、Sounas与Alù 2015年用一对增益与损耗互为镜像的声学单元组成宇称—时间对称结构，在空气波导里测得该结构一侧的散射被干涉抵消，探头在吸收信号的同时对外部声场接近不可见（Fleury等 2015，Ref.[31]）。

它推翻的是被测与测量者之间「阴影不可消除」这一默认。更受追捧的是同一非厄米结构的另一性质：在两个本征值合并的奇异点附近，本征频率劈裂随扰动强度按平方根而非线性变化，小扰动被放大，这被写成一条通用的传感增强路线。

争议在2018年集中爆发。Langbein证明，奇异点附近劈裂增强的同时，谱线宽度以同样的方式增大，用信噪比定义的分辨率没有任何增益；Lau与Clerk从量子传感的角度得到同一结论——非厄米系统里增益引入的噪声与响应增强同源，信号比噪声的比值在奇异点附近不超过厄米极限，除非引入非互易耦合（Langbein 2018，Ref.[32]；Lau与Clerk 2018，Ref.[33]）。「平方根增强」是一条关于本征值的数学事实，不是一条关于可分辨信号的事实。

这条清算把非厄米传感的验收量从「劈裂对扰动的斜率」换成「给定探测带宽下的信噪比」；后者要求同时报告增益单元的噪声温度或等效噪声压，而2015年的隐形传感器实验没有报这个量。

Ding、Fang与Ma 2022年的综述把奇异点从传感话题移到几何话题：奇异点在参数空间中的环绕、拓扑分类与非厄米趋肤效应成为主线，传感增强只作为一个附带条件被提及（Ding等 2022，Ref.[34]）。至此本条立住的是「吸收型探头可对外部散射不可见」这一实测读数；被推翻的是它的传感灵敏度会因奇异点而超过厄米极限。

三、可打印声学全息图Printable Acoustic Holograms

在2016年以前，塑造一个复杂声场只有相控阵一条路：几十到上千个通道各配一路驱动电子。Melde、Mark、Qiu与Fischer 2016年把整个相位分布压缩进一块三维打印的聚合物片：先用迭代算法把目标压力图案反演为相位延迟图，再把延迟换算成片厚，贴在单个兆赫兹换能器前，在水中重建出鸽子轮廓等复杂图案，像素数比同尺寸相控阵高两个量级（Melde等 2016，Ref.[35]）。

可打印声学全息图推翻的是「声场自由度等于电子通道数」这一默认。自由度被搬进材料的几何里，一个通道加一张片子就能给出上万个相位像素；代价是图案固定，换图案要换片。

争议出在幅值。Brown 2019年指出，纯相位全息片只约束每个像素的相位，出射幅值由换能器面上的声压分布决定而不可控，重建图案的强度分布因此与目标存在系统偏差，且在目标含大面积暗区时误差最大；他给出用局部改变片子透射率来同时调幅与调相的方案，并测得重建误差随之下降（Brown 2019，Ref.[36]）。「任意图案」要改成「在幅值不可控条件下最接近目标的相位可实现图案」。

Jiménez-Gambín、Jiménez、Benlloch与Camarena 2019年把全息片推到经颅：把颅骨的声速与厚度分布写进反演，让单换能器加一张片子在离体头骨内聚焦出任意形状的焦区，读数是焦区形状与目标的重叠度，代价是每个头骨要单独打印一张片子（Gambín 2019，Ref.[37]）。

Melde等2023年把全息声场用于装配：一块紧凑的全息片在水中一次成形，把悬浮的微粒或细胞按目标三维图案一步压合成体，无需逐点操纵（Melde等 2023，Ref.[38]）。至此可打印声学全息图这条的验收对象从「能否重建图案」改为「给定幅值不可控时，重建图案与目标的归一化均方误差」，Brown 2019划出的幅值边界是这个误差的下限。

四、经颅聚焦超声调控深脑Transcranial Focused-Ultrasound Neuromodulation

无创脑调控此前只有经颅磁与经颅电两条路，二者的空间分辨率与穿透深度都到不了杏仁核这类深部结构。Folloni、Verhagen与Mars等2019年在猕猴上用250千赫兹聚焦超声分别刺激杏仁核与前扣带皮层各40秒，随后的静息态功能磁共振显示靶区与其连接网络的耦合模式改变，效应持续超过一小时，且两个靶区的改变互不相同（Folloni等 2019，Ref.[39]）。

经颅聚焦超声调控深脑推翻的是「无创调控到不了深部」这一默认。声焦点的几何由换能器与颅骨模型决定，靶区可以在皮层之下几厘米，而且效应有靶区特异性，不是全脑的非特异唤醒。

争议在前一年就已成形。Sato、Shapiro与Tsao 2018年与Guo等2018年分别在小鼠上证明，经颅超声引起的广泛皮层激活在化学或手术去听后消失，且激活模式与直接给声音刺激的模式一致；超声在颅骨与组织里产生的可听频率成分经耳蜗进入听觉通路，再扩散到全脑（Sato等 2018，Ref.[40]；Guo等2018，Ref.[41]）。凡未同步控制听觉旁路的实验，其「靶区效应」都要重新归因。

猕猴实验与小鼠实验之间的矛盾并未被简单裁决：Folloni等的靶区特异性难以用非特异的听觉激活解释，而小鼠数据里去听后残余效应的大小取决于刺激参数。争议因此落到刺激波形：脉冲重复频率落在可听区的方案更容易走听觉旁路，这成为此后实验设计的第一道筛选。

Sarica等2022年系统综述了人体经颅超声调控研究，读数是效应量在不同靶区与参数下相差很大，多数研究样本小、缺乏主动对照声刺激，安全性事件报告率低但随访短（Sarica等 2022，Ref.[42]）。至此经颅聚焦超声调控深脑这条的验收对象从「靶区活动有无改变」改为「与同等可听旁路的主动对照相比，靶区特异效应的净差」，2018年两篇小鼠论文定义了这个对照。

五、组织碎化式无热消融Histotripsy Nonthermal Ablation

聚焦超声治疗的老路是热消融：把焦区加热到六十摄氏度以上使蛋白凝固，代价是热扩散使边界模糊、血流带走热量使灌注丰富的器官难以消融。Xu等2004年用微秒级、峰值负压超过十兆帕的脉冲在焦区激发空化云，在离体与活体心脏组织上打出边界清晰的孔洞；Parsons、Cain、Abrams与Fowlkes 2006年把它推广为脉冲空化组织匀浆化，读数是处理区内细胞结构完全消失而边界处过渡带只有几百微米（Xu等 2004，Ref.[43]；Parsons等 2006，Ref.[44]）。

组织碎化式无热消融推翻的是「超声消融必须靠热」这一默认。消融机制从热凝固换成机械碎化，边界由空化阈值的空间分布决定而不由热扩散决定，灌注不再是障碍，实时超声还能直接看见空化云。

争议出在「无热」二字。Khokhlova等2015年梳理组织碎化的三条路线——空化云型、冲击散射型与沸腾型——指出沸腾组织碎化用毫秒级冲击波脉冲在焦点几毫秒内把组织加热到沸点，靠蒸汽泡而非空化云碎化组织，它的机械结局与空化云型相同，但机制上离不开局部温升（Khokhlova等 2015，Ref.[45]）。「无热」只对微秒级空化云型成立，对沸腾型不成立。

第二层边界是气泡成核。空化云型需要负压超过组织的固有阈值，该阈值随组织类型与气体含量变化；同一声压在肝与脑里的成核概率不同，「处理区边界由空化阈值决定」意味着边界也随组织的阈值分布漂移，不是设备参数能单独设定的量。

Mendiratta-Lala等2024年报告#HOPE4LIVER单臂关键性试验：44名患者的49个肝脏原发或转移肿瘤接受组织碎化，技术成功率95.5%，主要并发症发生率6.8%，达到预设安全终点（Mendiratta 2024，Ref.[46]）。这是本条第一次进入多中心临床终点，其读数是术后影像上处理区覆盖肿瘤的比例，而不是组织学上的匀浆化程度。

六、被动空化成像Passive Cavitation Imaging

高强度聚焦超声治疗期间的空化此前只能用单元件被动探测器记录一条时间信号，知道「有」却不知道「在哪」。Gyöngy与Coussios 2010年让一台诊断阵列在治疗脉冲期间只接收，把各通道信号按时间曝光声学法反投影，得到惯性空化的二维强度图，并在离体组织上证明图中亮斑位置与随后的损伤位置一致（Gyöngy 2010，Ref.[47]）。

被动空化成像推翻的是「治疗剂量由发射声压定义」这一默认。空化图给出的是组织内实际发生机械作用的位置与强度，治疗监控从发射端的标称参数转到接收端的实测图。

争议出在分辨率。Coviello等2015年指出时间曝光声学法本质上是延迟叠加，其轴向分辨率由接收孔径的F数决定，在治疗深度可达数十个波长，图上的长条状亮斑并不对应空化源的真实轴向范围；他们用稳健Capon类最优波束形成把轴向尺寸缩小数倍，同时保持定位与损伤位置的一致（Coviello等 2015，Ref.[48]）。「空化位置」在2010年的图上只有横向可信，轴向是孔径伪影。

Haworth、Bader、Rich、Holland与Mast 2017年把被动空化成像做成定量：在频域逐带反投影并用已知源标定，使图上的像素值对应声辐射功率而非任意单位，可按谐波、超谐波与宽带分别成图以区分稳态空化与惯性空化（Haworth等 2017，Ref.[49]）。

Bae、Liu、Pouliopoulos、Ji与Konofagou 2022年用非均匀角谱法在离体人颅骨上实现三维经颅被动声学映射，把颅骨声速与厚度写进传播模型，把经颅定位误差压到毫米量级（Bae等 2022，Ref.[50]）。至此被动空化成像这条的验收对象从「空化图与损伤图重合」改为「经过标定的空化功率图在轴向与横向各自的定位误差」，Coviello等2015划出的轴向孔径伪影是这个误差的主项。

七、超导量子声学Superconducting Quantum Acoustics

声学此前从未进入单量子层面：一块晶体里的声波有太多模式、太多声子，量子比特与它的耦合被认为会被模式密度淹没。Chu等2017年把一枚超导transmon与一块蓝宝石晶体中的高泛音体声波谐振模式强耦合，测得真空拉比劈裂，并在色散区把量子比特的频率按晶体中声子数分立移动，从而数目分辨地读出单个声子；该模式的声子寿命为十七微秒量级（Chu等 2017，Ref.[51]）。

超导量子声学推翻的是「宏观机械模式不能被当作单量子对象操作」这一默认。声子从此可以像微波光子一样被制备与测量，一块厘米级晶体成为量子比特的机械型存储器。

争议不在读数真伪，而在平台。MacCabe等2020年在硅纳米梁声子晶体谐振器中测得五千兆赫兹声子的寿命长达1.5秒，品质因数达五百亿量级，比Chu等2017的体声波模式长五个量级；两者之差说明体声波谐振器的微秒寿命来自晶体表面与支撑的声学泄漏，而不是声子作为量子对象的固有极限（MacCabe等 2020，Ref.[52]）。「量子声学」的代表平台从此有了两个方向相反的选择：体声波模式耦合强但寿命短，纳米梁模式寿命长但耦合弱且热化难。

Chu等2018年在同一体声波平台上制备并操控了多声子Fock态，证明数目分辨读出可以推到多个声子，但也报告了多模式串扰随声子数增加而加重（Chu等 2018，Ref.[68]）。这把2017年的单声子读数的边界写成了可数的量：可分辨的最大声子数。

Wollack等2022年在铌酸锂机械谐振器上制备两个谐振器之间的纠缠态并做完整量子态层析，读数是层析出的态保真度与纠缠见证值（Wollack等 2022，Ref.[53]）。至此超导量子声学这条的验收对象从「单声子能否被看见」改为「给定平台上，声子寿命乘以耦合强度这一无量纲合作度」，MacCabe等2020的秒级寿命与Chu等2017的强耦合各占该合作度的一个因子。

八、学习型超声波束形成Learning-Based Ultrasound Beamforming

延迟叠加是超声成像三十年不变的骨架，其旁瓣与斑点由孔径几何固定。Hyun、Brickson、Looby与Dahl 2019年用仿真通道数据训练神经网络，直接从聚焦后的通道信号输出像素值，在仿体与活体上同时得到旁瓣抑制与斑点减弱，且对声速失配的鲁棒性高于延迟叠加（Hyun等 2019，Ref.[54]）。

学习型超声波束形成推翻的是「波束形成是固定几何运算」这一默认。波束形成变成一个可训练的映射，图像质量由训练分布而非孔径决定；代价是这个映射在训练分布之外的行为没有几何保证。

争议出在度量。Rindal、Austeng、Fatemi与Rodriguez-Molares 2019年证明，对比噪声比这一被广泛用于宣称新波束形成器优势的指标，可以通过对输出图像做单调的动态范围变换而任意抬高，图像里的可分辨信息没有任何增加；许多自适应与学习型方法报告的对比度增益，有一部分正是这种动态范围压缩的产物（Rindal等 2019，Ref.[55]）。评价学习型波束形成因此需要与动态范围无关的指标，例如按病灶检出概率定义的广义对比噪声比。

这条清算把学习型方法的验收从「图像更好看」改成「在相同动态范围口径下，病灶可检出性是否提高」；2019年的神经网络论文的对比读数在这一口径下要重新计算。

Hyun等2021年发布CUBDL评测框架与公开通道数据集，把仿真、仿体与活体数据以及评测指标统一，使不同学习型波束形成器可以在同一份原始通道数据与同一套指标上比较（Hyun等 2021，Ref.[56]）。至此学习型超声波束形成这条的验收对象从「单篇论文的对比度」改为「公开基准上、动态范围无关指标下的排名」，Rindal等2019划出的动态范围陷阱是这套指标存在的原因。

九、可绕障声场控制Dynamic Acoustic Control behind Obstacles

Memoli等2017年把声学超表面离散成一套可拼装的「砖」：每块砖对应一个量化的相位延迟，把砖按目标相位图排列即可用单个换能器合成聚焦或偏折声场，代价是场固定不可变（Memoli等 2017，Ref.[58]）。Norasikin等2018年的SoundBender把这类静态元件与相控阵叠在一起：超材料层把40千赫兹声场弯到一块遮挡物背后，相控阵在弯过去的场里实时移动焦点，在障碍物背后实现悬浮与触觉反馈（Norasikin等 2018，Ref.[57]）。

可绕障声场控制推翻的是「静态元件与相控阵二选一」这一默认。静态层承担大角度弯折这类相控阵做不到的粗调，相控阵承担静态层做不到的实时细调，声场控制的自由度被分成几何与电子两层。

争议出在力。Fushimi、Hill、Marzo与Drinkwater 2018年测得单轴悬浮阱的刚度随驱动声压先增后减，高声压下声流与非线性传播使阱变软甚至失稳，悬浮粒子的振荡幅度反而增大（Fushimi等 2018，Ref.[67]）。绕过障碍后声场必然衰减，「加大输出补回来」这条直觉在阱刚度非线性面前不成立。

第二层边界是静态层的量化误差。超材料砖的相位是离散量化的，量化级数越少、砖越易制造，但弯折后的场与目标场的偏差越大；相控阵的实时校正只能补偿这一偏差的一部分，其余部分表现为焦点旁瓣。

Plasencia、Hirayama、Montano-Murillo与Subramanian 2020年的GS-PAT把多焦点相位求解推到万赫兹量级的更新率，使相控阵可以在一个声场里同时驱动多个焦点高速移动（Plasencia等 2020，Ref.[59]）。至此可绕障声场控制这条的验收对象从「障碍物后能否成阱」改为「给定量化级数与驱动声压下，障碍物后阱刚度与无障碍阱刚度之比」，Fushimi等2018的非线性刚度曲线是这个比值的上限。

十、高阶拓扑声学Higher-Order Topological Acoustics

拓扑绝缘体的旧规矩是「体—边对应」：d维体的拓扑对应d−1维边界上的态。Xue、Yang、Gao、Chong与Zhang 2019年在一块呼吸笼目晶格的声学样品上测得落在体带隙与边缘带隙之中的角态：声压集中在三角形样品的三个角上，边缘与体内几乎无响应；这是高阶拓扑在声学中的第一次实验观测（Xue等 2019，Ref.[60]）。

高阶拓扑声学推翻的是「拓扑态只能出现在d−1维边界」这一默认。角态的存在被归因于晶格的量子化偶极极化，边缘本身是绝缘的，拓扑保护被认为从边推到了角。

争议出在「保护」。van Miert与Ortix 2020年证明，在保持晶格对称性且不闭合体带隙的前提下，可以通过连续改变模型参数把呼吸笼目晶格的角态从带隙里移走；也就是说这些角态与对称性保护的拓扑不变量没有一一对应，它们是能量上被局域在角上的态，而不是拓扑上必须存在的态（van Miert 2020，Ref.[61]）。2019年的声学观测因此要重新标注：观测到角态是真实的，把它归为拓扑保护是过度解释。

Xue等2020年在三维声学晶格上观测到八极子高阶拓扑绝缘体：拓扑极化被推到三阶，角态出现在立方体的角上，且这一情形下角态与量子化八极矩的对应关系比二维笼目情形更严格（Xue等 2020，Ref.[62]）。争议因此分成了两栏：笼目型角态的保护性存疑，多极子型的保护性有更强的对称性论证。

Xue、Yang与Zhang 2022年的综述把高阶拓扑声学与非厄米、非线性拓扑并列，明确区分「有角态」与「角态受保护」两个陈述，并要求实验报告角态在对称性保持的参数扰动下的频率漂移（Xue等 2022，Ref.[63]）。至此高阶拓扑声学这条的验收对象从「角态存在」改为「对称性保持的扰动下角态是否能被移出带隙」，van Miert与Ortix 2020给出的是这个检验的构造方法。

十一、经颅超声的听觉与热混杂清算Auditory and Thermal Confounds in Transcranial Ultrasound

2018年以前，经颅超声神经调控的动物实验多以运动反应或皮层电活动为终点，很少同步测量声音。Sato、Shapiro与Tsao 2018年与Guo等2018年分别在小鼠上证明，超声引起的广泛皮层活动在去听后消失，且与纯听觉刺激的空间模式一致；超声脉冲的包络在可听频率产生了骨导声，经耳蜗进入脑（Sato等 2018，Ref.[40]；Guo等2018，Ref.[41]）。

经颅超声的听觉与热混杂清算推翻的是「有反应即有靶区效应」这一默认。听觉旁路成为每个经颅超声实验必须先排除的混杂项，而排除的办法只能是主动对照：给同等可听成分而不给靶区超声。

争议随即出现。Mohammadjavadi、Ye、Xia、Brown、Popelka与Pauly 2019年在小鼠上用化学去听与截断听神经两种方法去除外周听觉通路，发现超声引起的运动反应幅度与潜伏期不变；他们的读数是，至少在运动皮层靶区与他们使用的参数下，效应不经听觉旁路（Pauly 2019，Ref.[64]）。两组结果的差别落在终点与参数：广泛皮层激活走听觉，特定运动反应可以不走。

热是第二个混杂。颅骨吸收超声比软组织强得多，长脉冲或高占空比下颅骨与其下皮层的温升可达可测量的程度，温升本身会改变神经兴奋性；把这一项计入意味着每个实验要报告声学模型估算或实测的靶区与颅骨温升，而不能只报自由场声强。

Darmani等2022年的国际专家组综述把这两项混杂与颅内实测声场一起列为报告最低要求，并给出参数命名的统一口径与安全阈值的现有证据（Darmani等 2022，Ref.[65]）。至此经颅超声的听觉与热混杂清算这条的验收对象从「效应有无」改为「扣除听觉主动对照与热效应后的靶区净效应」，2018年两篇小鼠论文与2019年的反驳共同定义了这个扣除项的两端。

十二、体积声悬浮的可编程化Programmable Volumetric Acoustic Levitation

单阱悬浮解决的是「一个粒子去哪」，体积操纵要解决的是「多个粒子各去哪」。Marzo与Drinkwater 2019年用两块相对的相控阵在一个体积内同时生成多达二十五个独立阱，每个阱可被单独编程移动，在空气中同时操纵二十五个聚苯乙烯粒子并让它们组成可变形的三维图形（Marzo 2019，Ref.[66]）。

体积声悬浮的可编程化推翻的是「多粒子操纵需要多套装置」这一默认。同一组换能器的相位分布被求解为多个阱的叠加，阱数的上限由换能器数与阱间干扰决定而不由装置数决定。

争议出在阱之间分配的力。Fushimi、Hill、Marzo与Drinkwater 2018年测得单轴阱的刚度随驱动声压先增后减，高声压下阱失稳（Fushimi等 2018，Ref.[67]）。多阱情形下每个阱只分到总声压的一部分，直觉是「提高总输出补回来」，而非线性刚度曲线说明总输出越过峰值后，每个阱反而更软；阱数与每阱刚度之间的折衷由这条曲线而非换能器数决定。

第二层边界是更新率。粒子在阱移动时跟随阱，阱移动越快、粒子越容易掉出；多阱同时移动时求解相位的耗时成为瓶颈，2019年的方案每帧求解的耗时把可用的粒子速度限制在低速。

Plasencia、Hirayama、Montano-Murillo与Subramanian 2020年的GS-PAT用并行化的Gerchberg–Saxton迭代把多点声场的相位求解推到万赫兹量级的更新率，使多个阱可高速协同移动（Plasencia等 2020，Ref.[59]）。至此体积声悬浮的可编程化这条的验收对象从「同时悬浮多少个粒子」改为「给定总声压与阱数下，每阱刚度与单阱刚度之比乘以可持续的阱移动速度」，Fushimi等2018的刚度曲线与GS-PAT的更新率各占这个乘积的一个因子。

◎ 十条可做的研究命题

1. 命题：把Norris 2008的质量发散定理写成可制造性判据；方法：取2008年以来公开的声学斗篷设计各自的目标散射抑制与壳总质量，拟合抑制量随质量的曲线；证伪：若五模型设计在同一质量预算下的散射抑制不高于惯性型，命题被证伪；样本取2008–2026年公开的至少30个设计。

2. 命题：膜型局域共振单元的双向透射差是Willis系数的可测代理；方法：对至少20种前后不对称配重的膜型单元，从两侧分别测100–1000赫兹透射损失，同时按Muhlestein等2017的方法测Willis系数；证伪：若双向透射损失之差与Willis系数在这20种单元上的秩相关不显著，命题被证伪；两年内可完成。

3. 命题：时间反演聚焦稳定性由相干带宽数决定而非散射强度；方法：在同一钢棒森林上改变发射带宽，测焦斑能量在不同介质实现间的方差，按Papanicolaou等2004的相干带宽数作图；证伪：若焦斑方差随相干带宽数下降的斜率在强散射与弱散射样品间无差异，命题被证伪。

4. 命题：剪切波速图的边界偏差可由估计核尺寸预测到10%以内；方法：用RSNA QIBA型黏弹仿体，在三种厂商机型上以三种核尺寸测硬包体边界处波速，与Rouze等2012的模型预测比较；证伪：若三分之一以上的组合偏差超过模型预测的10%，命题被证伪；仿体与机型均为现成。

5. 命题：光声血氧的深度依赖误差可被多照明几何反演压到血气误差以内；方法：在同一仿体上分别用单侧照明与四侧照明采集多波长光声，按Cox等2012的通量模型反演血氧，与血气对照；证伪：若四侧照明在深度大于两厘米处的血氧误差不低于单侧照明，命题被证伪。

6. 命题：相干复合的最优角度数随目标速度单调下降；方法：在旋转仿体上以已知线速度采集平面波通道数据，按Denarie等2013的口径求对比度随角度数的转折点；证伪：若转折角度数与目标速度的秩相关不显著，命题被证伪；一台研究型超声平台即可完成。

7. 命题：定位显微术的毛细血管填充时间可由大血管流速外推；方法：在同一只大鼠脑上按Hingot等2019的方法逐级测各级血管的填充时间，与该级血管的平均流速拟合；证伪：若填充时间与流速的倒数在各级血管上不成线性，命题被证伪。

8. 命题：谷霍尔声学边缘态对破坏对称性缺陷的透射与普通波导无差异；方法：在同一块声学谷霍尔样品上引入Orazbayev与Fleury 2019分类中的对称破坏型缺陷，测透射并与同几何普通波导比较；证伪：若拓扑波导对该类缺陷的透射显著高于普通波导，命题被证伪。

9. 命题：奇异点声学传感的信噪比不超过厄米参考系统；方法：按Langbein 2018的口径，在同一空气波导上分别构造奇异点结构与厄米双谐振结构，测给定带宽下的最小可分辨扰动；证伪：若奇异点结构的最小可分辨扰动显著小于厄米参考，命题被证伪。

10. 命题：去听后残余效应的比例由终点类型决定而非声强；方法：在小鼠上按Mohammadjavadi等2019的去听方法，同时记录广泛皮层激活与特定运动反应两类终点，在三个声强档比较残余比例；证伪：若残余比例随声强的变化大于随终点类型的变化，命题被证伪；三年内可完成。

◎ 资料核验

下列 68 条与正文中的 Ref.[n] 一一对应；每条的作者、期刊卷页与 DOI 均在 2026 年 9 月经 Crossref 与 doi.org 逐条核对，同一文献只列一次。