撰稿|由课题组供稿
近日，华南理工大学的梅军教授课题组在水下声学超格栅的非互易性研究方面取得重要进展，提出了一种结构简单的声学超格栅循环器（Acoustic Metagrating Circulators）。该循环器基于声学超格栅结构，尽管只有波长厚度，却能实现非互易的水下声波传输，且具有鲁棒性和可调性，效率接近100%。该项研究有助于实现水下通信、声能量收集和声传感技术的亚波长集成和应用。相关成果以“Acoustic Metagrating Circulators: Nonreciprocal, Robust, and Tunable Manipulation with Unitary Efficiency”为题发表在《Physical Review Applied》杂志上。梅军教授为该工作的通讯作者，博士生凡利娟为论文第一作者，华南理工大学为论文第一署名单位。
互易性是很多物理场的基本性质，虽然大量技术和设备的实现依赖于互易性，但在许多场合下，我们希望破坏系统的互易性来实现单向、鲁棒、无干扰的数据传输方式。目前的非互易声波器件多采取在环形腔内施加循环气流、利用封闭波导管内的气流、磁致弹性结构、被动型超结构、非线性材料等传统方法。另一方面，超格栅是一种基于波动衍射理论的、只有波长厚度的人工结构，它能在大衍射角时依然保持接近完美的波场操控效率，近些年引起了广泛的关注。由于结构本身具有时间反演对称性，目前声学超格栅的研究都是建立在互易性的基础之上。因此，将非互易性和超格栅结合起来，通过打破时间反演对称性来设计和实现基于超格栅的声循环器，不仅可以沿着期望的方向以单向、鲁棒、无干扰的方式传输声波信号和能量，而且其自身厚度只有波长量级，有利于进一步的系统集成和发展，对潜在的各种应用是非常有益的。
该课题组提出了一种由声学超栅格和一个低速稳定流场所组成的水下声学非互易循环器，其中超格栅原胞结构简单，仅包含几个硬圆柱体。通过对线性势流方程的衍射分析和基于遗传算法的优化过程，声信号在期望的工作频率下以一种高度非互易的方式实现高效率的单向传输。通过利用和优化硬圆柱体在流场中的多重散射效应，在循环器对应端口间的反射效率可达几乎100%，且在不同的流场分布形态和较宽的流场速度范围内都取得了高效率操控。甚至声循环器的旋向，也可通过改变背景流速的大小或方向来调控，明确展示了声学超格栅循环器具有非互易、鲁棒、可调控的声场操控能力。这种非互易效应的工作原理覆盖了从可听声频率到超声频率的广阔范围，提供了一种实现声开关、整流、隔离的替代解决方案。该项工作得到了国家自然科学基金和广东省基础与应用基础研究基金的支持。
图1 三端口非互易声循环器。(a)超格栅单元示意图；(b)背景流速场；(c)背景流线；(d-f)背景流速沿 +x方向时的散射声压场；(g-i)背景流速沿 -x方向时的散射声压场。
图2 背景流速场对非互易性的影响。(a-c)没有背景流时的散射声压场；(d-f)衍射效率随流速的变化。
图3 四端口非互易声循环器。(a) 超格栅单元示意图；(b)背景流速场；(c)背景流线；(d-g)散射声压场。
图4四端口声循环器衍射效率谱。
文章链接：
Phys. Rev. Applied 15, 064002 (2021) - Acoustic Metagrating Circulators: Nonreciprocal, Robust, and Tunable Manipulation with Unitary Efficiency (aps.org)
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.064002
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