共振型声阻抗超表面的物理效应及机理研究

Acoustic metasurfaces are two-dimensional ultrathin arrays constructed by micro-structured artificial elements. Due to the efficient manipulation on the amplitude and phase of acoustic waves, metasurfaces have become a promising future direction in the field of acoustic artificial materials. Traditional acoustic metasurfaces are based on the non-resonant phase delay effect produced by the enlarged transmission path, which suffer from the deficiencies of single manipulation property, uncontrollable impedance mismatch and limited efficiency. These deficiencies cannot fulfill the application requirements of precise acoustic manipulation. Recent studies have shown that the impedance metasurfaces based on resonant elements can be equivalent to acoustic soft, hard and matched boundaries, in which rich physics and promising applications are prospected. However, due to the structural complexity of the resonant elements, the relationship between the key parameters of the elements and the macroscopic manipulation properties is not clear. In addition, the mechanism of tunable impedance through coupled resonance modes is not clarified. In this proposed project, we will make the theory analysis, computer simulation and experiments to give systematic and thorough research on acoustic resonant impedance metasurfaces. First, we will explore the influence of the structural characters on the effective acoustic parameters of various micro-structured elements. The impedance manipulation mechanism and the influence on phases will be characterized. Then we will investigate active metasurfaces and obtain dynamic, substantial manipulation effect. On this basis, we will develop new ultrathin acoustic devices according to the novel manipulation effects.

声学超表面是由人工单元构建的超薄二维阵列，可在亚波长尺度对声波相位、幅度等进行有效调控，已成为人工声场调控的重要发展方向。传统声学超表面是基于非共振、单纯路径加长的相位延迟效应，存在调控性质单一、阻抗失配且不可控、实际效率有限等局限，难以满足精确声场调控的需求。近期研究表明，基于共振人工单元的声阻抗超表面可等效为软、硬、匹配等经典声学边界，具有丰富的物理效应和广阔的应用前景。由于共振人工单元本身的复杂性，其结构参数与声学调控性能的关系尚不清楚，基于模式耦合调制的有效声阻抗形成机理也未澄清。本项目将从理论分析、数值模拟和实验验证等不同层次，对共振型声阻抗超表面进行系统深入的研究：首先研究多种构型共振人工单元的有效声学参数与结构参数之间的定量关系，阐明声阻抗调控机制及其对声波相位的影响；研究主动声学超表面的工作机理，实现声波相位的动态大幅调控；并在此基础上构建超薄新原理声学器件。

声学超构表面实现了体积型声学超构介质的低维化，克服了体积型超构介质结构复杂、体积大、损耗高等局限，已成为声学人工结构领域的重要研究方向之一。传统声学超表面是基于非共振、单纯路径加长的相位延迟效应，存在调控性质单一、阻抗失配且不可控、实际效率有限等局限，难以满足精确声场调控的需求。另一方面，基于共振人工单元的声阻抗超表面可等效为各种有效声学边界，具有丰富的物理效应和广阔的应用前景。然而，由于共振人工单元本身的复杂性，其结构参数与声学调控性能的关系尚不清楚，基于模式耦合调制的有效声阻抗形成机理也未澄清。针对现有声学超构表面存在的共振模式固定、调控效果单一, 阻抗及相位改变范围有限, 不可动态调整等不足，本项目从理论分析、数值模拟和实验验证等不同方面，对声学超构表面开展了系统的探索。首先研究了多种构型微结构共振单元的有效声学参数与单元几何特征、组元成分、单元空间分布等结构参数的定量关系，构建了多种声学阻抗超表面物理模型；在此基础上，分析了超表面的有效声阻抗调控新机制及其对声波相位的影响，实现了声波相位的有效调控，并进而构建了一系列新原理声波功能器件。取得的代表性成果包括：提出了基于Dirac点的近零系数超构表面(APL封面)和基于类谷霍尔拓扑声子晶体（AM封面）的超结构声学天线，在不依赖复杂扬声器阵列和传声器阵列的条件下，实现了高指向性、高灵敏度的声波定向发射和接收；提出了在无背景流速的超材料声子晶体中构造声学赝自旋偶极子和四极子模式、并实现声波拓扑传输的理论方法, 获得了拓扑保护声单向传输、可重构声学路径选择开关、声拓扑延迟线等一系列新颖的声场调控功能；另外还首次设计出基于共振超构表面的数字编码超表面、全息超表面、非对称吸收超表面,类双曲各向异性超表面等一系列原型功能器件。本项目的研究成果发展了利用声学超构表面实现对声波传输、散射及折射等方面进行超常规人工调控的方法，在多种声学超构表面的设计、制备与相关新原理声学功能器件集成等方向取得了多项具有原创性的成果，不但丰富了声学学科的基础理论，还推动了声学功能器件技术的发展。项目支持下已发表SCI论文47篇。其中，第一/通讯作者论文38篇，包括PRL 2篇、AM 2篇（1篇封面）、PRB 4篇、PRAppl.1篇、PRMater.1篇、APL 12篇（1篇封面，1篇亮点报道），他引1000余次，4篇入选ESI热点或高被引论文。