基于声学超常材料的声波调控研究

The traditional structure to manipulate acoustic waves depends on the improvement of natural acoustic materials. By introducing acoustic artificial structures, it is possible to break the limit and to achieve peculiar phenomena and physical effects. It will promote the innovation of acoustic technology. Basing on our recent research work on acoustic metamaterials, the project will study the various abnormal acoustic phenomena and the mechanisms of acoustic wave manipulation theoretically and experimentally, and the study will also pay attention to the research front of electromagnetic metamaterials and the advantage of phononic crystal materials. The project will focus on the relationships between the artificial manipulation on acoustic waves and the various abnormal physical phenomena of acoustic transmission, scattering and refraction. The equivalent parameter theory, transform acoustic theory, phononic crystal band theory and multi-physical field coupling theory will be used in the project to study the theory method of realizing the special manipulation by acoustic metamaterials and to design the corresponding special structures. New acoustic one-way devices, effective control of low frequency sound waves, non-hermitian broadband acoustic metamaterials, and the mechanisms to generate orbital angular momentum will be studied. The active control method will be also studied under the condition of multi-physical field coupling. The research work of the project has significant theoretical and practical value in medical ultrasound diagnosis and treatment, nondestructive testing, and environmental noise control fields.

传统声波调控结构大多依赖于自然声学材料的改进，有诸多限制。通过引入声学人工结构可打破这种局限，产生自然材料所不具备的各种奇特现象和物理效应，推动声学技术的革新。本项目以申请人有关声学超常材料对声波调控的研究工作为基础，结合电磁超常材料的研究前沿和声子晶体对声波的调控优势，对声学超常材料中的各种反常声学现象及其调控机理开展理论与实验研究。探索声学人工调控手段与声波在传播、散射及折射等方面的各种非常规物理现象之间的关联。项目开展将围绕等效参数理论、变换声学理论、声子晶体能带理论和多物理场耦合理论等，研究声学超常材料对声波实现特殊操控的理论方法。设计新型单向器件，实现对低频声波的高效调控，研究非厄密型宽带声超常材料，研究生成声轨道角动量的机制，探索多物理场相耦合条件下，实现对声波的主动调控的方法等。本项目的研究工作在超声医学诊疗、无损检测和环保降噪等领域具有显著的理论和应用价值。

本项目通过引入声学人工结构可打破传统声波调控结构大多依赖于自然声学材料的局限，产生自然材料所不具备的各种奇特现象和物理效应，推动声学技术的革新。声学超常材料对声波调控的研究工作结合了电磁超常材料的研究前沿和声子晶体对声波的调控优势，对声学超常材料中的各种反常声学现象及其调控机理开展理论与实验研究。探索了声学人工调控手段与声波在传播、散射及折射等方面的各种非常规物理现象之间的关联。项目围绕声拓扑理论、神经网络理论、等效参数理论、变换声学理论、声子晶体能带理论和多物理场耦合理论等，研究声学超常材料对声波实现特殊操控的理论方法。项目执行期间，研究声学非互易操控研究，提出了声阻抗调控的新机制，设计并构建了具有时空调制特性的声学超材料，实现了声学模式的非互易转变；研究实验上实现了声超构材料构建的类脑人工结构，利用其完成了物体形状识别等机器学习任务；研究基于声学拓扑晶体绝缘体，在不引入量子自旋霍尔效应的情况下，研究实现了具有螺旋形的高阶拓扑态；研究了声拓扑绝缘体，在实验上实现了声陈绝缘体，并研究观察到了单向边界态；研究利用声学轨道角动量实现多路复用的实时信息传输；研究声波振幅和相位的解耦操控，实验展示高质量单平面二维和多平面三维声全息生成等现象，证明了此类超材料对三维声场的精细操控的能力；研究设计制备了基于声超表面的人工施罗德扩散体，将传统施罗德扩散体的厚度减少至深亚波长；研究多物理场耦合条件下的对声波主动调控的声学超常材料结构。项目的研究工作在超声医学诊疗、人工智能材料、无损检测和环保降噪等领域具有显著的理论和应用价值。