研究者提出了一種“聲學(xué)超構(gòu)表面”的逆向設(shè)計方法，可獲得高效、超寬帶、消色差，并具有任意色散性質(zhì)的聲學(xué)超構(gòu)表面，實現(xiàn)目標(biāo)頻域內(nèi)聲波定向傳輸、能量匯聚、超聲粒子懸浮等“聲波魔法”，為超寬帶聲學(xué)超構(gòu)材料及器件的實現(xiàn)提供了理論指導(dǎo)與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

成果發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National Science Review, NSR），論文作者包括北京理工大學(xué)方岱寧院士、董浩文副教授，香港理工大學(xué)成利院士，天津大學(xué)汪越勝教授，美國羅文大學(xué)沈宸助理教授，青島大學(xué)趙勝東副教授，德國錫根大學(xué)張傳增院士，美國杜克大學(xué)Steven A. Cummer教授，深圳先進技術(shù)研究院鄭海榮教授、邱維寶研究員。

聲學(xué)超構(gòu)表面(Acoustic metasurfaces)是近年來頗受關(guān)注的一類人工表面結(jié)構(gòu)，它可以對聲波進行多角度的操控，改變其相位、幅值、傳播模式等特征，從而實現(xiàn)一系列獨特的應(yīng)用，在通信、醫(yī)學(xué)檢測、航空航天、國防工程等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。 然而目前絕大多數(shù)聲學(xué)超構(gòu)表面都面臨兩個共同的問題：1）帶寬較窄，只適用于一定頻率范圍內(nèi)的聲波；2）有“色差”，對不同頻率聲波的調(diào)控效果不一致。因此，設(shè)計具有超寬帶、消色差性質(zhì)，并能實現(xiàn)不同功能的聲學(xué)超構(gòu)表面是當(dāng)務(wù)之急。 在這項研究中，研究者提出了超寬帶消色差超構(gòu)表面的“自下而上”逆向設(shè)計框架，建立了超構(gòu)表面單元的“相位-效率-色散”拓撲優(yōu)化模型，并由此設(shè)計制造了具有三種不同色散性質(zhì)的聲學(xué)超構(gòu)表面，分別實現(xiàn)了聲波的定向傳輸、能量匯聚，以及超聲粒子懸浮。

基于“自下而上”拓撲優(yōu)化的超寬帶消色差超構(gòu)表面，可在寬頻、消色差前提下實現(xiàn)三種典型波束，實現(xiàn)三類應(yīng)用。（1）聲波轉(zhuǎn)向研究者設(shè)計了具有非對稱局部腔體、彎曲空氣通道的超構(gòu)表面單元，使超構(gòu)表面獲得線性非色散性質(zhì)，在[1600 Hz, 4400 Hz]內(nèi)具備恒定的等效折射率、高傳輸率，從而實現(xiàn)了具有恒定折射角度的高效、異常聲波定向傳輸功能。

面向超寬帶聲波定向偏轉(zhuǎn)的消色差超構(gòu)表面

4000 Hz聲波經(jīng)過超表面時發(fā)生定向偏轉(zhuǎn)（2）聲波聚焦研究者設(shè)計了相似的非對稱超構(gòu)表面單元，可在[1000 Hz, 4000Hz]內(nèi)具有恒定折射率，且折射率增加的程度逐漸降低，進而實現(xiàn)了具有恒定焦距、高效（>80%）的聲波聚焦功能，且具備超寬帶、消色差特性。

面向超寬帶聲波聚焦的消色差超構(gòu)表面

在1000-4000 Hz多頻率下，聲波均聚焦于中心位置（3）超聲懸浮研究者設(shè)計了在[16.5 kHz, 66 kHz]內(nèi)具有非色散、非線性色散特性的超構(gòu)表面單元。該超構(gòu)表面可產(chǎn)生具有恒定懸浮位置的局域空心束，從而非常穩(wěn)定地將聚乙烯小球（重量：0.022克）懸浮在目標(biāo)位置。與已有的超聲懸浮技術(shù)相比，這種基于消色差超構(gòu)表面的超聲懸浮技術(shù)具有穩(wěn)定、超寬帶、單邊操縱等多重優(yōu)勢。

面向超寬帶超聲懸浮的消色差超構(gòu)表面，及其代表性單元

40 kHz的超聲微粒懸浮 值得注意的是，上述3種逆向設(shè)計的超構(gòu)表面單元均存在明顯的內(nèi)部共振，也存在一定程度的雙各向異性，且與單元的色散程度呈正相關(guān)。此外，還存在顯著的多散射效應(yīng)，且不同色散特性表現(xiàn)出完全不同的多散射。這意味著，多散射也有助于獲得超寬帶、消色差特性，可被視為一種新的超構(gòu)表面設(shè)計自由度。因此，高效、超寬帶、消色差的聲波功能得益于集成內(nèi)部共振、雙各向異性和多散射效應(yīng)的協(xié)同作用。上述研究表明，通過逆向設(shè)計方法可實現(xiàn)具有任意色散特性的消色差超構(gòu)表面，在實現(xiàn)被動式、超寬帶、多功能超構(gòu)材料方面具有巨大的潛力，可為寬帶、高效的定向聲能量輻射、噪聲屏蔽、能量捕獲提供有效策略，甚至有助于實現(xiàn)不同類別的微粒操縱和輸運。此外，雖然這項研究的對象為聲波超構(gòu)表面，但其所發(fā)展的設(shè)計策略和超寬帶消色差機制可拓展至彈性波/電磁波超構(gòu)材料領(lǐng)域。

審核編輯 ：李倩