前沿：南京大学《Research》| 宇称超材料解锁动态声学伪装，让声纳 “隐身” 且不失探测力

• 解决的问题：声纳系统需宽频带无失真传输以保证信号获取，但传统声纳罩因均匀性保留反射特征，无法声学伪装；数字编码超表面虽能改变反射，却会阻断传输，难以兼顾传输与伪装功能，制约声纳隐蔽性与探测性能。
  

• 提出的方法：提出宇称超材料设计框架，通过宇称变换构建任意三维超原子及其宇称反转对应体，组成超材料平板。利用互易性与宇称变换的协同作用，保证宽频带无失真传输，同时通过旋转超原子动态调控反射特征，实现声学伪装。
  

• 实现的效果：实验与模拟验证，该超材料在0.1-7 kHz超宽频带保持传输波前完整，反射可动态模拟周期性地形、崎岖地形等；时间域伪装能将反射信号强度降至7%以下，兼顾声纳探测与隐蔽需求，适用于先进声纳系统。
  

• 创新点：将宇称变换应用于超材料，区别于镜像操作，通过互易性与宇称变换协同，实现超宽频带无失真传输与动态反射调控兼容；超原子无需特定对称性，适用性广，为声学伪装提供新范式。

• 研究成果以《Parity Metamaterials and Dynamic Acoustic Mimicry》为题发表于《Research》。南京大学Jinjie Shi、南京师范大学Hongchen Chu为论文共同第一作者，南京大学Xiaozhou Liu、Yun Lai和IMDEA材料研究所Johan Christensen为论文共同通讯作者。

• 摘要：尽管宇称变换是物理学中的基本对称操作，但其在超材料领域的应用尚未充分探索。本文提出一种利用宇称变换构建任意三维超原子的宇称反转对应体的框架，可制备宇称工程超材料平板。研究表明，互易性与宇称变换的协同作用（区别于镜像操作）能保证超宽频带内波的无失真传输，且不受结构或超原子设计细节影响。此外，这类超材料具有动态声学伪装能力，能自适应将反射特征融入周围环境，同时保持传输波前完整。经数值模拟和实验原型验证，该突破为声学伪装应用（尤其是声纳系统）提供变革性潜力。研究揭示了宇称变换在人工材料中的基础意义，确立宇称工程作为设计超宽频带功能材料的新范式，具备前所未有的操作灵活性。
  

• 结论：本文引入基本对称操作——宇称变换，设计出一类称为宇称超材料的新型超材料。这类超材料由任意三维超原子及其独特的宇称反转对应体构成。宇称变换与互易性的结合，可在宽频谱内实现反射动态声学伪装，同时不扭曲传输波前。该方法具有普适性，适用于所有互易结构和材料。构成超原子无需特定对称性，且在有损耗情况下仍能稳定工作。尽管本文以空气声为例，但其可扩展至水下场景，且在超材料厚度较大时仍有效。研究揭示了宇称变换在超宽频带波调控中的重要作用，确立宇称工程作为人工材料设计的变革性范式，对声学伪装、自适应超表面和下一代通信系统具有重要意义。
  

图1：由超原子及其宇称反转对应体构成的宇称超材料。

图2：P₁和 P₂的传输与反射特性。

图3：宇称变换与镜像操作的对比。

图4：利用宇称超材料实现动态声学伪装。