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比翱夏令营 · 前瞻丨声振功能材料与结构创新设计国际合作平台
千禧年以来，超材料得到了学术界广泛的研究，也越来越引起工业界的兴趣与关注。声振功能超构材料同样也是科研与工业界的研究热点，近十年正在快速发展，其实现了使用传统材料经常难以达到的声学性能与指标。在证明局域共振声学超构材料能够作为亚波长晶胞后，科研人员评估了打破材料质量密度和体积模量经典理论限制的可能性。结合理论分析、增材制造和工程应用，声学超材料已经展现出卓越的特性与能力，包括负折射、隐形、波束成形和超分辨率成像等。由于阻抗边界和模态转换的复杂性，在水下环境中自由操控声传播仍然存在很大的挑战。
厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室张宇教授、香港大学方绚莱教授、江苏大学物理与电子工程学院副教授张赛、香港大学机械工程学院博士后董尔谦、清华大学材料学院博士后曹培政、厦门大学海洋与地球学院博士生张金虎等发文《国家科学评论》杂志（National Science Review，Volume 10, Issue 6, June 2023, nwac246），全面回顾了二十年以来水下声学超材料的发展历程，并为该材料在未来水下物联网、水声通信、水下无人潜器的声导航与声探测、水下声隐形、梯度式水声换能器设计以及海洋资源勘探等领域的应用提供了重要的理论指导。此篇综述表明，随着水下超构材料的发展和科学进程，水声超材料在水下资源开发、目标识别、成像、降噪、导航和通信等领域正在展现巨大的应用潜景。
水声材料是水声器件设计与加工的基础，随着水下智能传感技术的飞速发展，可突破传统水声材料功能极限的水声超材料的研究越来越受到相关领域研究人员的重视。在该综述中，研究团队回顾了近些年水下声学超材料的重要研究进展和突破，包括水下声隐形斗篷、水下声波束形成、水下超表面、水下相位工程、水下拓扑声学和水声吸收器，以及微纳米超材料在新型水声换能器和探测系统设计中的应用等。此外，该综述对当前水下声学超材料研究面临的挑战进行了全面阐述，包括在真实水下环境中，利用声学涡旋波束的轨道角动量进行相位控制和远距离水声通信；基于声全息技术实现水下环境中的智能传感和动态成像；将水下声学超材料应用于海洋声层析成像、海洋观测网络、海洋勘探等。
（a）圆柱形声隐身结构（并联电容器和串联电感器），由声音传输线合成；（b）使用超声波点源照射的隐蔽和裸露钢制圆筒的压力场测量图；（c）五模超材料设计的固体声学斗篷的详细照片和材料参数；（d）测量的声压场包括隐蔽、未隐蔽和参考案例下的后向散射和前向传递压力
（a）2D五模超材料的微观形态结构；（b）在55°入射频率为15kHz的刚性平面、刚性散射、点阵PMC和理论隐蔽的声压场；（c）3D水下声学斗篷示意图；（d）矩形框架中声压场的10kHz测量值
（a）仿生发射器（BioP）的示意图，其中亚波长源被转换为方向性波束；（b）通过仿生保形变换（BCT）获得了四种不同的填充率；（c）基于物理的PPM装置在定向目标检测中的应用
（a）亚波长非对称声传输（SAAT）设备示意图；（b）单胞示意图；（c）3D多层结构描述；（d）多层SAAT的传输系数随入射角和频率的变化；（e）MAS结构的系统描述；（f） 传输系数随入射角和频率的变化，其中N=2；（g）归一化波长λ/L与衍射角的相关性
（a）方形晶格示意图，包括嵌入铝背景中的水环；（b）站点环和耦合器环的配置；（c）描绘了由三角形晶格阵列中的超分子制成的浸水声子晶体；
（a）局域共振声子木桩（LRPW）的模型简化过程；三个顺序堆叠尺寸的软PU涂层钢木桩层的透视图；（b）基于RMR背衬PM的复合材料超表面吸收器的示意图；（c）所研究超材料的几何形状；（d） 集成Fabry-Pérot（FP）谐振器阵列显示周期性重复
此篇综述重点概述了二十年以来水下声学超材料领域的发展。虽然声学超材料在空气中得到了广泛研究，但在水下环境中仍面临着重大挑战。随着基础物理学和材料科学的发展，水下声学超材料领域取得了众多的科研进展。已确定了一些设计超材料结构以操控声波来满足我们期望的方法。然而，在水下环境中还有很多工作要做。水或生物组织中超材料结构与背景介质之间的阻抗比大约是空气中的3600倍。这种巨大的对比表明，在水或生物组织中由换能器或扬声器产生的大部分能量与超材料结构相互作用；因此，在大多数情况下，水下超材料不能被视为绝对刚性的边界。考虑到流固耦合效应，有效参数受多重散射的主导。复杂的类流体超材料还会出现不可避免的粘声效应，因此其研制更具挑战。
原文来源：National Science Review, Volume 10, Issue 6, June 2023, nwac246；Underwater acoustic metamaterials;https://doi.org/10.1093/nsr/nwac246
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