声学超常界面研究概况

1、声学超常界面研究概况,报告人：李青蔚,声学超表面的研究进展,声学超表面是近一两年人 工声学超材料（acoustic metamaterial）研究的最 新发展方向和研究热点之 一，声学超表面的出现很 大程度上来源于与电磁超 表面的一些类比。,Plasmonic metasurfaces举例 Planar Photonics with Metasurfaces,Alexander V. Kildishev et al.Science 339, (2013);DOI: 10.1126/science.1232009,电磁超表面理念,广义斯涅尔定律：两种介质分界面上的相位不连续 由费马原理：,一，c

2、oiling up space,来自电磁超表面的启发，人们想到作为另一类经典波声波，如能设计出能调控声波相位或者振动方向的声学超表面，将为声波的操控提供全新的思路，对于声学器件乃至整个声学领域均有深远意义 下面介绍第一类声超表面，“Acoustic focusing by coiling up space”,2012年City University of Hong Kong的研究,刚性的固体梁（例如黄铜），形成了流体通道网络，图b是一个简化的直通道示意图,Extreme Acoustic Metamaterial by Coiling Up Space, City University of

3、Hong Kong, Tat Chee Avenue, Kowloon Tong, Kowloon, Hong Kong.PRL 108, 114301 (2012),the Floquet-Bloch theory，图b的色散关系: 分别代表两个方向的布洛赫波的相位， 是背景介质声波波数， 代表 卷曲空间的等效折射率，上述方程很好地描述了这种超材料的能带结构,用comsol全波 模拟能到能带图： b-d代表第一能带 第三、第五能带 等频线,折射率、阻抗、质量密度、体积模量（相对于背景媒质归一化）随归一化频率的变化 区别于传统的将两种物质交叉种叠在一起利用共振来实现双负的特性，这里仅仅卷曲空间

4、得到高的相对折射率就可以实现,应用举例,声棱镜：高斯声束单位振幅宽度15.4a ,归一化频率 在该频率处相对折射率 ，由于模拟中水平方向阻抗不匹配，出射振幅强度约为0.4 ，b图模拟的是 ，以示验证和对比,超低频时密度接近0（类比于 的电磁波现象）的验证 平面波左侧入射，10*14 个微结构单元 以上都是实现参数各向 同性化，那么通过调微 结构通道长度的纵横比 可实现各向异性,南京大学程建春小组2013年发表的colling up space超常界面 Reflected wavefront manipulation based on ultrathin planar acoustic meta

5、surfaces.Yong Li, Bin Liang, Zhong-ming Gu, Xin-ye Zou& Jian-chun Cheng.| 3 : 2546 | DOI: 10.1038/srep02546,每个微单元产生的反射波相位可以通过对单一参数a的调节来实现范围内的任意调控,8个尺寸不同的单元结构形成的反射波的压力场分布(某一时刻的p(x,y), 明显看出其峰值位置变化覆盖了一个波长,广义斯涅尔定律下的异常反射图解： 反射角： 那么选取合适的 ，就可以不程度的操控反射波波前。,实际应用举例,1，设计相位分布 ， 则反射角为90度，原先的入射 波便会沿着超表面附近传播。 右图表示

6、体声波到表面波的 转换。,沿着Y方向的离散相位改变提供了 额外的动量补偿以 弥补体声波与表面波之间的动量失配， 结果获得了高效转换。,2，声学聚焦，平板声学透镜和锥透镜。引入双曲相位：,=3为焦距的透镜的声学 强度分布： 横剖面（x=63cm）的强度分布,总的来说：,武汉大学2014年发表，区别于南大设计,平面波沿着+y方向正入射，工作频率2.55kHz，相邻单元引起的相位/4阶梯变化 Anomalous refraction of airborne sound through ultrathin metasurfaces，Kun Tang, Chunyin Qiu, Manzhu Ke, J

7、iuyang Lu, Yangtao Ye & Zhengyou Liu，SCIENTIFIC REPORTS | 4 : 6517 | DOI: 10.1038/srep06517.,相位累积在共振附近很明显,临界角： GSL： 相邻单元结构之间没有空隙，会提供声波的高转换效率,区别,Numerical demonstrations.,长度l=224cm=17个波长，高斯波束入射，波束宽度80cm.a,b,c 分别代表振幅、瞬态、相位场,a,b图中右侧强度大的反常波束，可看作是+1级衍射，反常出射角56.4， 左侧的则是-1级，0级（也就是正常的折射），沿着入射方向传播 被强 烈抑制 ，强度

8、非常微弱，但是在C图的相位场中可以看得到。,实验验证： 长度l=16cm （俯视）厚度=2.0cm，高度h=1.2cm Fig. 3a shows a photograph of the supercell assembled by eight different subunits, which has a length 16 cm, a thickness 2.0 cm and a height 1.2 cm.,上边一行是测量，下边是模拟,差距主要出现在左侧的弱场区域， 可能有不可避免的测量噪声 和边界反射造成,理想结构的传输效率模拟,理想的该结构在2.5kHz处 传输效率达80%,零级衍射

9、几乎 可忽略,Frequency broadening,高效率的转化可以覆盖宽范围频率,Broad-angle behavior. 能量传输效率可以覆盖宽范围 的入射角，如果要实现斜入射 就将这种“表面”倾斜相应的角 度,斜入射,折叠空间（coiling up space） 这一声学特有的手段设计了一种具有高折射率的声学超常材料，将出射声波的相位大大延迟,由此，通过合适的单元排布方式，就可以构建出不同相位信息的超表面，对反射波的波前相位进行任意调控，即实现了声学广义斯涅尔定律。 主要应用：声学聚焦，梯度折射率棱镜，体声波到表面波的高效转换，声学斗篷， 超吸收。,二，非均匀声阻抗率超表面产生可控

10、异常反射和操控波前,新加坡国立大学考虑到物理上考虑到声学领域没有与电磁领域的等离子体激元的对应，认为GSL对声波来说不太现实，并基于impedance-governed generalized Snells law of reflection (IGSL),在2013年设计出了一种与电磁超表面理念有本质不同的声学超常表面 Manipulating Acoustic Wavefront by Inhomogeneous Impedance and Steerable ExtraordinaryReflection. Jiajun Zhao, Baowen Li, Zhining Chen1& C

11、heng-Wei Qiu.SCIENTIFIC REPORTS | 3 : 2537 | DOI: 10.1038/srep02537,超表面的阻抗满足 这种特殊声阻抗率的超薄表面可以让入射到上面的声波产生双反射，而且改变超表面的几何结构可以让正常的反射声波消失；也能任意扭曲异常反射声波；并且异常反射波的反射角不会受到入射波方向的影响。,inhomogeneous specific acoustic impedance,具有非均匀声阻抗率的平坦界面,c图是一个随意的A值，图d:,实物结构示意图： 具体到上述结构，界面上每点声阻抗率,反解出几何参数： 这样，可以通过调整管子的几何结构参数来间接控制相位 ，,两个不同的d对应的l(y),e图 有明显的互相干扰，f图的 几乎没被干扰,