导读
近日，华南理工大学侯志林教授课组和同济大学李勇研究员课题组利用非局域超构声栅 (nonlocal acoustic metagrating) 实现了反射及透射声场的高效调控。
在反射声场调控方面，通过在周期内构建两个功能基元即可实现能量配比任意可调的反射声束，包括高效率逆反射（retro-reflection）和分束（splitter）等。相关研究成果于2019年9月6日以 “High-efficiency anomalous splitter by acoustic meta-grating” 为题发表于Physical Review B上，倪慧琴是论文第一作者，侯志林教授、李勇研究员和合作者Badreddine Assouar教授为论文共同通讯作者。
在透射波调控方面，通过充分考虑周期内功能单元间的耦合效应和周期性实现了大角度(81度)的高效声束偏折 (>95%)，解决了传统声学超构面(Metesurfaces)在调控大角度声波时效率低下的问题，相关研究成果于2019年9月12日以 “Highly efficient acoustic metagrating with strongly coupled surface grooves” 为题发表于Physical Review Applied上，并被选为编辑推荐（Editors' Suggestion）论文，侯志林教授和房鑫盛为共同第一作者，侯志林教授和李勇研究员为共同通讯作者。
人工微结构实现高效的声场操控在材料物理及工程应用上正在发挥越来越大的作用。声学超构表面是一种由人工微单元构成的超薄平面结构，由于其具备平面、超薄等独特物理特性及对声波的灵活调控能力，使得其在声场调控、噪声控制等诸多声学领域具有重要的应用前景。然而，基于广义斯涅尔定律设计的传统声学超构表面往往需要众多形态各异的功能单元提供额外的相位补偿，其复杂的设计和固有损耗使其在实际应用中受到越来越多的限制；此外，功能单元大多为单独设计，其相互之间的耦合效应往往被忽略，这导致在处理大角度声场调控时，会出现旁瓣等现象，造成设计效率的损失。为了解决这个问题，侯志林教授课题组和李勇研究员课题组基于传统光栅理论，利用优化算法最大限度地加强了功能基元之间的非局域耦合效应，实现了对反射及透射声场的高效调控。
作者首先基于声栅的周期性和模式耦合理论，通过传递矩阵表示出不同角度衍射级数声束的反射及透射系数，然后根据目标的声场调控效果确定散射矩阵中各个元素的具体数值，最后结合优化算法反向设计超构声栅的几何参数。按照此流程设计的反射型及透射型声栅分别如图1(a)、(b)所示。为了验证超构声栅中的非局域声学特征，作者进一步研究了结构表面能流的分布情况（图2、3），与传统声学超构表面设计不同，表面凹槽之间存在能量交换，得益于这种非局域特征，可以重新分配不同衍射级数的能量。作者进一步利用平面波导系统对上述两种声栅进行了实验表征，并与有限元仿真结果进行对比(图4、5)。通过对比可以进一步确认超构声栅调控声波的能力，特别在处理大角度反射、透射问题上展现了独到的优势。
研究工作得到了国家科学基金，中国科协青年人才托举工程，上海浦江人才计划等项目的支持。
图1. (a) 反射型超构声栅的三维结构图。(b) 透射型超构声栅的二维结构图。
图2. 反射型超构声栅。(a)衍射声波的相位分布。（b）y=0界面处垂直方向的能流分布情况。(c) 衍射总场的局域场强矢量分布图。
图3. 透射型声栅。(a) 总场下的局域场强矢量分布情况，白色箭头代表入射声波。(b) y方向距离上表面不同高度(
)处的局域能流比分布情况。(c) y方向距离下表面不同高度(
)处的局域能流比分布情况。
图4. 反射声场调控。(a-c)分别是声束能量比为
，
和
的情况，左侧为有限元仿真图，右侧为实验场图，嵌入图为实验样品。
图5. 透射声场调控。(a)实验波导系统示意图。(b)有限元仿真与实验场图的对比（透射角为72度）。
文章链接
[1] H. Ni, X. Fang, Z. Hou, Y. Li, and B. Assouar, High-efficiency anomalous splitter by acoustic meta-grating, Phys. Rev. B 100, 104104 (2019). https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.100.104104
[2] Z. Hou, X. Fang, Y. Li, and B. Assouar, Highly efficient acoustic metagrating with strongly coupled surface grooves, Phys. Rev. Applied 12, 034021 (2019). https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.034021
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