定制“声波魔法”：声学超构表面的逆向设计方法

大太阳

研究者提出了一种“声学超构表面”的逆向设计方法，可获得高效、超宽带、消色差，并具有任意色散性质的声学超构表面，实现目标频域内声波定向传输、能量汇聚、超声粒子悬浮等“声波魔法”，为超宽带声学超构材料及器件的实现提供了理论指导与结构基础。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），论文作者包括北京理工大学方岱宁院士、董浩文副教授，香港理工大学成利院士，天津大学汪越胜教授，美国罗文大学沈宸助理教授，青岛大学赵胜东副教授，德国锡根大学张传增院士，美国杜克大学Steven A. Cummer教授，深圳先进技术研究院郑海荣教授、邱维宝研究员。

声学超构表面(Acoustic metasurfaces)是近年来颇受关注的一类人工表面结构，它可以对声波进行多角度的操控，改变其相位、幅值、传播模式等特征，从而实现一系列独特的应用，在通信、医学检测、航空航天、国防工程等领域都有广阔的应用前景。

然而目前绝大多数声学超构表面都面临两个共同的问题：1）带宽较窄，只适用于一定频率范围内的声波；2）有“色差”，对不同频率声波的调控效果不一致。因此，设计具有超宽带、消色差性质，并能实现不同功能的声学超构表面是当务之急。

在这项研究中，研究者提出了超宽带消色差超构表面的“自下而上”逆向设计框架，建立了超构表面单元的“相位-效率-色散”拓扑优化模型，并由此设计制造了具有三种不同色散性质的声学超构表面，分别实现了声波的定向传输、能量汇聚，以及超声粒子悬浮。

基于“自下而上”拓扑优化的超宽带消色差超构表面，可在宽频、消色差前提下实现三种典型波束，实现三类应用。

（1）声波转向

研究者设计了具有非对称局部腔体、弯曲空气通道的超构表面单元，使超构表面获得线性非色散性质，在[1600 Hz, 4400 Hz]内具备恒定的等效折射率、高传输率，从而实现了具有恒定折射角度的高效、异常声波定向传输功能。

面向超宽带声波定向偏转的消色差超构表面

4000 Hz声波经过超表面时发生定向偏转

（2）声波聚焦

研究者设计了相似的非对称超构表面单元，可在[1000 Hz, 4000Hz]内具有恒定折射率，且折射率增加的程度逐渐降低，进而实现了具有恒定焦距、高效（>80%）的声波聚焦功能，且具备超宽带、消色差特性。

面向超宽带声波聚焦的消色差超构表面

在1000-4000 Hz多频率下，声波均聚焦于中心位置

（3）超声悬浮

研究者设计了在[16.5 kHz, 66 kHz]内具有非色散、非线性色散特性的超构表面单元。该超构表面可产生具有恒定悬浮位置的局域空心束，从而非常稳定地将聚乙烯小球（重量：0.022克）悬浮在目标位置。与已有的超声悬浮技术相比，这种基于消色差超构表面的超声悬浮技术具有稳定、超宽带、单边操纵等多重优势。

面向超宽带超声悬浮的消色差超构表面，及其代表性单元

40 kHz的超声微粒悬浮

值得注意的是，上述3种逆向设计的超构表面单元均存在明显的内部共振，也存在一定程度的双各向异性，且与单元的色散程度呈正相关。此外，还存在显著的多散射效应，且不同色散特性表现出完全不同的多散射。这意味着，多散射也有助于获得超宽带、消色差特性，可被视为一种新的超构表面设计自由度。因此，高效、超宽带、消色差的声波功能得益于集成内部共振、双各向异性和多散射效应的协同作用。

上述研究表明，通过逆向设计方法可实现具有任意色散特性的消色差超构表面，在实现被动式、超宽带、多功能超构材料方面具有巨大的潜力，可为宽带、高效的定向声能量辐射、噪声屏蔽、能量捕获提供有效策略，甚至有助于实现不同类别的微粒操纵和输运。此外，虽然这项研究的对象为声波超构表面，但其所发展的设计策略和超宽带消色差机制可拓展至弹性波/电磁波超构材料领域。