二维结构声表面波的色散特性及成像研究

Surface acoustic waves have attracted much research interest during the past few decades for the important role in acoustic extraordinary transmission and subwavelength imaging. Designer surface acoustic waves, as a new type of surface acoustic waves, have been reported to realize acoustic extraordinary transmission and beaming effect. Based on the former research on the dispersion property of one-dimensional designer surface acoustic waves, we extend the designer surface acoustic waves to two-dimensional textured surface in this project. We will investigate the dispersion property of the two-dimensional designer surface acoustic waves, and utilize them to transport the subwavelength information of the acoustic source and realize the subwavelength imaging effect for bulk acoustic waves. We also plan to combine two different proper surface structures and obtain the negative refraction for the designer surface acoustic waves. Because the energy locates in fluid, the excitation and detection of the designer surface acoustic waves are easy in experiment. We believe this project can not only increase the understanding of the designer surface acoustic waves, but also open up a new way for the design and application of surface acoustic waves.

由于在反常透射、亚波长成像等现象中所起的重要作用，表面波在声学人工结构研究中一直吸引着学者们的关注。结构声表面波，作为一种新型的表面声波模式，亦被证实可用来调控体声波传播，实现声反常透射与声准直发射等效应。本项目基于申请者之前对一维结构声表面波色散特性的研究，提出将结构声表面波拓展到加有周期结构的二维表面上，研究二维结构声表面波的色散特性与传播规律；研究通过二维结构声表面波传递声场亚波长信息，实现体声波的亚波长成像；并结合不同的二维表面结构体系，实现结构声表面波自身的负折射成像。由于结构声表面波的能量全部位于流体中，在实验中更容易激发和探测，因此本研究不仅有助于加深和拓宽人们对结构声表面波的认识，还能为声表面波传播特性研究和器件设计提供新的思路。

结构声表面波是周期结构中局域模式相互耦合而形成的一种只能沿着结构表面传播的声波模式。针对近年来利用表面波实现的反常透射、亚波长成像等新颖物理现象，本项目对结构声表面波的声调控进行了深入研究。首先，把结构声表面波从传统的一维表面结构拓展到二维表面结构中，详细研究了二维刚性表面结构上结构声表面波的色散特性，并利用结构声表面波获得了体波的声亚波长成像——半高宽为0.14倍波长的点声源亚波长像斑。其次，在刚性表面上设计了宽度线性增加的周期性空气凹槽阵列，实现了结构声表面波能量随频率的空间分布。最后，利用二维谐振环阵列中结构声表面波之间的强耦合，在理论和实验上分别验证声单向传输边界态的存在，实现保持时间反演对称性的声学拓扑边界态。本项目的研究成果在医学超声成像、声耦合器件设计等方面有广泛的应用前景。同时，由于结构声表面波的能量全部位于流体中，在实验中更容易激发和探测，因此本研究还可以为观察新颖的波动物理现象提供一个便捷途径。