基于超材料的低频声波定向传播的理论和实验研究

Directional propagation of low-frequency sound is an important research topic in acoustics, which can reveal the law and physical mechanism of the directional sound propagation in media, and therefore it is a basic research with strong background in applications. The project intends to study the sound propagation through metamaterials based on effective impedance boundary theory and reveal the physical mechanism of subwavelength microstructures interacting with sound waves. We will make a physical model based on effective acoustic impedance boundary to explain the experimental results of sound waves interacting with microstructures and achieve the directional propagation of low-frequency sound based on the design of microstructures in metamaterials, which will pave a new way to the directional propagation of low-frequency sound wave. The study will help us to deep understand the nature of the sound propagation in metamaterials and promote the further development technology of directional sound wave.

低频声波的定向传播是声学中一个重要的热点问题，它能揭示定向声波在介质中的声传播规律及物理机制，因此是一个具有很强应用背景的基础性的研究课题。本项目拟采用有效阻抗边界理论来研究声波通过超材料后的声传播特性，揭示超材料中亚波长微结构与声波相互作用的物理机制，建立有效阻抗边界的物理模型来解释声波与超材料相互作用后所产生的实验结果，通过设计材料中的微结构来实现低频声波的定向传播，为低频声波的定向传播开拓新的途径，对这些问题的深入研究将有助于我们更深入地理解声波与超材料相互作用的物理本质，促进低频声波定向传播技术的进一步发展。

低频声波的定向传播是声学中一个重要的热点问题，它能揭示定向声波在介质中的声传播规律及物理机制，因此是一个具有很强应用背景的基础性的研究课题。在此国家自然基金的资助下，该项目进展顺利。我们按预定计划进行了以下研究工作：(1) 我们提出了偶极子阵列的概念，用于同时改善声波的方向性和辐射增益，证明了偶极子阵列可以由镶嵌有HR结构的板和狭缝进行级联构成，边界阻抗的大小可以用于改善偶极子阵列的辐射效率；与单极子线阵列相比，偶极子阵列在更宽的频率范围具有更好的方向性同时具有更小的旁瓣。 (2)我们从调节边界条件角度出发，研究了基于声超构表面的辐射图样调控，通过改变刻蚀的周期二维亥姆霍兹共鸣器的空间位置分布，可在半无限大平面区域内实现近乎任意方向的准偶极子辐射图样，且其对指向性的调控能够保持相对较宽的工作频带；该机理在于亥姆霍兹共鸣器的周期分布改变了相应空间位置上的等效声阻抗率，即改变了等效边界条件，借由这种方式实现了对不同方向的波矢的裁剪，并最终获得了强指向性的声波辐射效果；该方案能有效抑制旁瓣的出现，从而提升了声能的利用率；另外，我们还通过类比表面等离激元的发声原理，在原先仅刻蚀亥姆霍兹共鸣器来调控边界条件的基础上加入了周期分布的声栅，从而成功激发出了集体性声表面波，并在此基础上实现了超长距离的声自准直传输，且该现象同时适用于二维及三维情况；同时我们研究了改变声栅的大小对出射信号的影响。 (3)我们用Mie共振结构实现了低频声波的指向性传播， 提出了利用Mie共振结构实现声波的高效率指向性传播和准直波束的方法，讨论了Mie共振特性与几何参数之间的关系；我们还利用Mie共振结构能够抑制波矢的特点，提出了一种实现低频准直声束的方法，利用Mie共振结构实现低频准直声束的办法具有如下优点，它整体大小小于一个波长，小巧方便；而且空间分布稀疏，远离声源，在改变声源辐射的声场的同时不会对声源本身产生其它的影响。(4)我们采用V型结构构成超表面实现了声波折射波的宽带调制，提出一种空间折叠的V型结构超表面，相比先前的空间折叠超表面具有超宽带、 高效传输特点。本项目共发表论文25篇，其中SCI 19篇：包括声学顶级刊物J.Acoust.Soc. Am.发表论文 3篇，Scientific Reports 2 篇，APL 2篇, 国内核心刊物 2篇，授权国家发明专利4项和另外申请1项国家发明专利。