丨前言丨
近期，杜克大学和阿尔托大学研究人员组成的团队开发了一种新型的声学超表面结构，通过共振腔的结构设计，可以精确地调控声波的波前特性，从而得到超高的声能转化效率。
背景
近年来，声学超构材料得到了如火如荼的发展，为人工调控声波提供了新的途径。这种具有奇异声学特性的人工复合结构材料，能够实现对声波更为灵活、精准的操控：如声准直、声聚焦、声场隐身、声的单向传播等，为调控声波提供了突破传统范畴的全新自由度。声学超表面（Acoustic Metasurface）作为声学超构材料的重要一支，其理念就是利用体积尽可能小的平面结构来有效地操纵声波，在“小尺寸调控大尺度声波”方面极具优势。
近期，杜克大学和阿尔托大学研究人员组成的团队开发了一种新型声学超表面结构，利用这种结构操控声波可达到非常高的声能转化效率，相关成果以发表在《Nature Communications》上，题为“Systematic design and experimentaldemonstration
of bianisotropic metasurfaces for scattering-free manipulation"。
技术
图1 声学超表面示意图及能量转换效率图
如图一（a）所示，理想的声学超表面能够使入射声波产生任意的折射角度，并且具有100%的声能转换效率。这意味着入射声波的能量可以全部透过超表面结构，并按照设计的路径传播，而不会发生折射或多余的散射。这一理想情形需要超表面两侧入射和折射声波满足阻抗匹配条件。在以往的研究中，尽管基于广义斯涅耳定律（generalized Snell’s law, GSL）的声学超表面设计在折射角较小的情况下效率较高，但在折射角更大的情况下声能的转换效率将随之降低，其对应关系如图一（b）所示。
在该文章中，研究团队设计了一种新型的超表面结构：结构单元由直波导管和4个旁侧的共振腔组成，并且腔体的大小各不相同（见图2）。此结构的非对称性是使阻抗矩阵满足设计要求的关键。文章指出：即使设计很高的折射角度（60°，70°，80°），该结构对声波的能量转换效率依然可以超过90%（93%，96%，91%），远远超过基于GSL超表面的能量转换效率（81%，58%，35%）。这一优异性能来源于该非对称结构的Willis耦合所引入的双各向异性（bianisotropic）,从而满足了等效的阻抗匹配条件[2]，有效减少了声波的反射和散射。另外，腔体的共振频率远高于声波的工作频率，进一步避免了腔体共振带来的能量损耗。结构的整体尺度仅为波长的1/10，属于亚波长的范畴。高效的调控和紧凑的结构大大提高了其实际使用价值。
前景
声学超表面具有非常广泛的应用前景。在国防领域，声学超表面器件可以为航天飞行器、潜艇等现代装备提供卓越声学性质，同时极大地节约了器件的占用空间，提高了国防设施的机动性和集成度；在建筑声学领域，超薄的声学材料在噪声控制方面也有着极大的应用价值，有望高效地降低环境噪声、改善生活质量；此外，有科研人员基于声学超表面开展了一系列声学信号传输方面的工作，证明了其在高速声学通信方面的巨大潜力。
尽管文章中只展示了对声波折射的初步调控，但这种设计思路可以拓展到其它高效率的精细声场调控，如声聚焦、弯曲声束、声场隐身等，甚至可以产生我们所需要的任意声场。此项工作大大提高了超构材料的应用价值，对于声学领域的基础研究和新型声学器件的拓展都具有重要的指导意义，在声学成像、建筑声学、声学通讯及粒子操纵等多个领域都具有重要的应用潜能。
作者：田源
排版：MengZ
——END——
参考文献：
[1] Li J, Shen C, Díaz-Rubio A, etal. Systematic design and experimental demonstration of bianisotropicmetasurfaces for scattering-free manipulation of acoustic wavefronts[J]. Naturecommunications, 2018, 9(1): 1342.
[2] Sieck C F, Alù A, Haberman M R. Origins of Willis coupling and acoustic bianisotropy inacoustic metamaterials through source-driven homogenization[J]. Physical ReviewB, 2017, 96(10): 104303.
免责声明：本文旨在传递更多科研信息及分享，提供志同道合者的交流平台。如涉及侵权，请联系下方邮箱，我们将及时进行修改或删除。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
邮箱：zunzun@imeta-center.com
微信号：Jessica_2313