多层结构超材料对声波调控机制的第一性原理研究

In recent years, the acoustic manipulation based on the acoustic metamaterials has been an emerging acoustic research field. The acoustic propagation properties in metamaterials are determined by both the artificial microstructural units and the "order" of these units. With increasing the complex "order" of artificial microstructural units, the effective medium theory method is no longer suitable for these metamaterials which are composed of the specific "order". The numerical calculation method can simulate the phenomenons produced by the metamaterial system, but can not reveal the physical mechanism of the acoustic manipulations in the metamaterials. The first-principles method, which is based on the Helmholtz equations, does not need the experimental results and the empirical or semi-empirical parameters. The equations can be directly solved after some approximate treatments according to the specific requirements. Therefore, the first-principles method has a relatively high accuracy. In this project, the first-principles method is adopted to study the physical mechanisms of perfect anti-reflective, non-diffractive propagation and subwavelength imaging of the acoustic waves by using the multilayered metamaterials. We will establish the "order" of acoustic parameters in these metamaterials and develope the theoretical method of first-principles for multilayered metamaterials. Then the proposed method will be applied in the designs of metamaterials for achieving different acoustic functions and the experimental verifications will be carried out. On this basis, the acoustic devices will be constructed to achieve the effective control of acoustic waves.

基于声学超材料的声波调控是近年来发展起来的新兴的声学研究方向。声波在超材料中的宏观传播特性由人工微结构单元和将这些单元排列在一起的“序”共同决定，随着越来越复杂的“序”出现，使得等效介质理论方法不再适用于这些按特定“序”组成的声学超材料体系，而数值计算方法虽可以模拟超材料体系产生的声学现象，但不能揭示超材料调控声波的物理机制。第一性原理方法从亥姆霍兹方程出发，不需要实验结果，也不需要经验的或者半经验的参量，根据具体要求，经过一些近似处理后直接求解方程，具有比较高的精确性。本项目拟采用第一性原理方法对多层结构超材料调控声波实现完美抗反射、无衍射传播和亚波长成像的物理机制进行深入的研究，获得超材料本构参数应满足的“序”，发展基于第一性原理的超材料调控声波的理论研究方法。将该方法应用到能够调控声波实现不同声学功能的超材料设计中，并进行实验验证。在以上工作基础上构建声学器件，实现对声波的有效调控。

利用声学超材料对声波传输进行有效调控是近年来发展起来的新兴的声学研究方向。通过构造某种具有特殊功能的亚波长人工微结构单元，并将这些微结构单元以某种“序”结合在一起，可以在亚波长尺度上实现对声波传输的人工调制，如声自准直、声异常反射和透射、声聚焦、声吸收、声隐身、声单向传输等等。设计和搭建不同的声学效应和功能的超材料一直是该研究领域中的前沿问题。项目执行三年来，基本按照原有计划进行，取得的研究结果达到了项目计划书的预期要求。. 首先，我们基于第一性原理明确了多层结构声学超材料调控声波实现完美抗反射的物理机制，给出了设计这种超薄多层抗反射膜结构的方法，数值模拟结果表明具有12层结构的抗反射膜可以很好的实现完美的抗反射效果；还提出了一种质量密度经过快速调制的层状介质，声波在该介质中传播时能够在全角度范围内实现无衍射传播，并采用第一性原理方法推导了针对此类介质的有效介质理论，解释了声波能够无衍射传播的物理机制。其次，我们将之前的理论结果做了进一步的推广，并基于该层状介质提出一种各向异性的声学透镜来实现亚波长成像，发现无论是有损还是无损的情况下，透镜都能在一个较宽的频段内具有较高的透射效率；基于第一性原理方法，我们还提出了一种各向同性的不均匀声隐形介质，不管是该介质的体模量还是质量密度都与声波的入射角无关，并可以有不同的介质形状，不同入射角的平面声波都可以直接通过这些介质而没有任何散射，当声源换成点声源后，介质的隐身特性仍能保持。然后，我们基于超结构和超表面实现了对声波的有效操控，如提出了被动无损声学超表面实现高效率的异常反射，当垂直入射的声波被反射到75°方向时，该超表面的反射效率相比于传统声学超表面提高了近30%；用两种卷曲空间结构搭建反射型和折射型二元超表面，实现了声波的完美异常反射和异常折射现象。最后，利用多孔材料包裹超材料实现低频宽带声吸收，以及通过给植被加一个超表面基底来提高整体的吸收性能。. 在项目研究期间，共在国际知名SCI源刊物上发表相关研究论文19篇。本项目的研究结果将为声学器件的构建以及声波有效调控的进一步研究和应用提供依据。