方岱寧院士、董浩文副教授課題組:面向超寬帶聲束工程的色散定制化消色差超構表面

來源： PuSL摩方

近年來，作為一種可調控波相位、極化方式、傳播模式的超薄聲學人工表面結構，聲學超構表面(Acoustic metasurfaces)可以實現許多新奇的波控功能，在吸聲降噪、醫(yī)學超聲、聲波器件、探測、通信等領域展現了廣闊的應用前景。然而，絕大多數聲學超構表面都面臨突出的窄帶和功能色散問題，且主動調控的手段也存在功能色散、低可靠性、高系統(tǒng)復雜度和高制造成本等諸多挑戰(zhàn)。更重要的是，可重構超構表面雖可保證離散頻率下波動功能，但不太可能適用于含多個頻率的寬帶入射波包。因此，從工程應用的角度來看，聲學超構表面亟需實現被動式超寬帶、非頻變特性，也需更多新的結構形式與調控機理。

近期，北京理工大學方岱寧院士和董浩文副教授、香港理工大學成利院士、天津大學汪越勝教授、美國羅文大學沈宸助理教授、青島大學趙勝東副教授密切合作，并聯合德國錫根大學張傳增院士、美國杜克大學Steven A. Cummer教授、中科院深圳先進技術研究院鄭海榮教授和邱維寶研究員等國內外學者，在超構材料領域取得重要進展。該團隊提出了定制化色散的逆向設計方法，利用面投影微立體光刻技術(nanoArch S140，摩方精密)實現了聲學超構表面的高精度3D打印，成功構造了消色差聲學超構表面，實現了高效、相對帶寬為93.3%的聲波定向傳輸、相對帶寬為120%的能量聚焦、相對帶寬為118.9%的超聲粒子懸浮等超寬帶聲學波束工程，并揭示了超寬帶消色差特性的力學機理，為超寬帶、高效、多功能超構材料器件提供了新的設計范式，可為先進結構技術與完美波動調控的結合提供系統(tǒng)的理論與方法。該研究以“Achromatic metasurfaces by dispersion customization for ultra-broadband acoustic beam engineering”為題發(fā)表于《國家科學評論》(National Science Review, NSR, https://doi.org/10.1093/nsr/nwac030, 2022)。

為獲得超構表面的定制化色散特性，該研究提出了系統(tǒng)的超寬帶消色差 “至下而上”逆向設計框架（圖1）。為實現聲波異常折射、聚焦和超聲懸浮功能，超構表面需分別產生具備線性非色散、非線性非色散、非線性色散特性的三類波束，即：定向傳輸波束、聚焦束和局域空心束（圖1b）。事實上，為實現特定的色散、嚴苛的相位分布與傳輸效率，所有超構表面單元必須同時滿足特定的等效折射率、相對群延遲以及相對群延遲色散。因此，本研究建立了超構表面單元的“相位-效率-色散”的拓撲優(yōu)化模型，利用遺傳算法完成了超寬帶、消色差、高效聲學超構表面的逆向設計。

圖1：超寬帶消色差超構表面的逆向設計方法

為證實逆向設計方法的正確性與有效性，本研究首先針對聲波異常折射功能，設計出具有非對稱局部腔體、彎曲空氣通道的超構表面單元（圖2a）。在低頻寬帶范圍內(1600-4400 Hz)，優(yōu)化單元具備恒定的等效折射率與高傳輸率（圖2b, 2c）以及線性非色散特性。值得注意的是，這種拓撲特征與傳統(tǒng)的Helmholtz共振腔和迷宮結構非常不同。這種區(qū)別意味著超寬帶非色散特性無法由單一構型所決定，而需要多種拓撲特征的組合來實現。仿真和實驗結果也進一步驗證了具有恒定折射角的高效、異常透射功能（圖2d，2e）。

圖2：逆向設計的聲學超構表面與其超寬帶高效異常波束折射

本研究進一步設計出更復雜的非對稱超構表面單元（圖3a），其具備超寬帶恒定的等效折射率（圖3b），且折射率增加的程度逐漸降低；大部分超構表面單元均可保持高于80%的傳輸效率（圖3c）。有趣的是，#4、#5、#6和#7單元具有非常相似的拓撲特征，但#3、#2單元卻呈現完全不同的特征，這意味著單一的拓撲構型無法實現超寬帶非色散功能。結果表明，優(yōu)化的超構表面可實現具有恒定焦距、高效、聲波聚焦功能（圖3d，3e），證實了其超寬帶[1000 Hz, 4000 Hz]、消色差特性。

圖3：逆向設計的聲學超構表面與其超寬帶高效聚焦

為更進一步展示所發(fā)展優(yōu)化模型與方法的優(yōu)勢，本研究還針對寬低頻、高度復雜的色散特性，設計出一系列具有非色散、非線性色散特性的高效超構表面單元（圖4a）。通過特定的單元集成方式，構建了含13×13個微米尺度單元(4.2 mm×4.2 mm×1.2 cm,S140，摩方精密，10 μm打印精度)、輕質、超薄的3D聲波超表面(5.46 cm×5.46 cm×1.2 cm)。結果表明，超構表面可在[16.5 kHz, 66 kHz]內產生具有恒定懸浮位置的局域空心束（圖4e），從而實現了單邊、穩(wěn)定、超寬帶的超聲懸浮現象（圖4f），顯著優(yōu)于目前已知的超聲懸浮技術。此外，超構表面的波動功能對熱粘滯損耗也具有很強的魯棒性。

圖4：逆向設計的聲學超構表面與超寬帶、單邊、穩(wěn)定的超聲粒子懸浮

為揭示超寬帶消色差特性的機理，本研究詳細地考察了具有線性非色散、線性非色散、非線性色散特性的3個代表性超構表面單元，分析了其相位響應（圖5a-5c）、等效阻抗矩陣（圖5d-5f）和散射性質（圖5g-5i）。結果顯示，優(yōu)化的非對稱單元均存在明顯的內部共振(internal resonance)，從而有效地補償了由單個結構塊體色散而產生的復雜相移。此外，3種單元也存在一定程度的雙各向異性(bi-anisotropy)。更有趣的是，這種優(yōu)化的超構表面單元還存在顯著的多散射效應，可被視為一種新的超構表面設計自由度。

圖5：超寬帶消色差特性的協(xié)同作用機理

針對聲波超寬帶聲束工程，本研究發(fā)展了融合相位、幅值、色散、功能的聲學超構表面通用逆向設計框架，設計出一系列新型非對稱超表面，實現了超寬帶、消色差聲波負折射、聚焦和超聲懸浮三類功能，揭示了超寬帶消色差特性的協(xié)同作用機理，即：集成的內部共振、雙各向異性以及多散射效應。研究可為超寬帶、被動式、多功能超構材料的構造提供系統(tǒng)性逆向設計方法，可為2D/3D彈性波/聲波超構材料的大規(guī)模、集成設計提供重要的理論指導與結構基礎。近年來，本團隊已提出了多種彈性波/聲波超構材料的逆向設計模型，揭示了寬帶力學機理，實現了一系列高性能彈性波、聲波、水聲功能及器件，為超構材料寬低頻響應的系統(tǒng)性創(chuàng)新設計提供了解決方案。