基於非共振單元的聲學超構介質構建、效應及套用

《基於非共振單元的聲學超構介質構建、效應及套用》是依託南京大學，由程營擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於非共振單元的聲學超構介質構建、效應及套用
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：程營
• 依託單位：南京大學

項目摘要

由於耗散大、頻寬窄等性能局限，傳統的局域共振單元聲學超構介質已無法滿足聲場調控設計需求。如何將非共振單元引入超構介質的設計中，構建其物理模型、探索其中新的物理效應並套用於新原理功能器件，正成為聲學人工材料領域的研究重點。近期研究表明，摺疊空間非共振單元陣列可等效為有效折射率特異的聲學超構介質。但是，由於單元本身的複雜性，結構參數與調控性質的關係尚不清楚，基於相位延遲調製的負/零有效係數形成機理也未澄清。本項目將從理論分析、數值模擬和實驗驗證等不同層次，對非共振單元超構介質進行系統深入的探索：首先分析單元的幾何特徵、摺疊倍數、排列方式等對等效參數的影響，構建低損耗、寬頻帶的非共振超構介質物理模型；進而對其負/零有效係數產生演化、後向波相位匹配、二次諧波激發等新效應進行表征與設計；在此基礎上，套用特異調控性能構建聲波功能器件。本項目有助於發現新的聲波效應，開發新型功能器件，具有重要的套用前景。

結題摘要

由於耗散大、頻寬窄等性能局限，傳統的局域共振單元聲學超構介質已無法滿足聲場調控設計需求。如何將非共振單元引入超構介質的設計中，構建其物理模型、探索其中新的物理效應並套用於新原理功能器件，正成為聲學人工材料領域的研究重點。近期研究表明，摺疊空間非共振單元陣列可等效為有效折射率特異的聲學超構介。但是，由於單元本身的複雜性，結構參數與調控性質的關係尚不清楚，基於相位延遲調製的負/零有效係數形成機理也未澄清。本項目從理論分析、數值模擬和實驗驗證等不同層次，對非共振單元超構介質進行了系統深入的探索：首先分析了單元的幾何特徵、摺疊倍數、排列方式等對等效參數的影響，構建了低損耗、寬頻帶的非共振超構介質物理模型，取得的代表性成果包括提出了在無背景流速的超材料聲子晶體中構造聲學贗自旋偶極子和四極子模式、並實現聲波拓撲傳輸的理論方法；進而對其負/零有效係數產生演化、後向波相位匹配、二次諧波激發等新效應進行了表征與設計；在此基礎上，套用特異調控性能構建了一系列聲波功能器件，例如將聲波類量子效應與聲學新原理功能器件相結合，獲得了拓撲保護聲單向傳輸、可重構聲學路徑選擇開關、聲拓撲延遲線、聲學定向天線等一系列新穎的聲場調控功能，另外基於偶極子薄膜網路陣列，首次設計出一種簡單高效的、具備近零有效密度的聲學超構材料，可以產生無散射聲穿透等物理效應，並構建高效直角波導和分束、聲隱身、平面放大聲學超透鏡等一系列原型功能器件。本項目的研究成果發展了利用聲學超構介質實現對聲波傳輸、散射及折射等方面進行超常規人工調控的方法，在多種聲學超構介質的設計、製備與相關新原理聲學功能器件集成等方向取得了多項具有原創性的成果，不但豐富了聲學學科的基礎理論，還推動了聲學功能器件技術的發展。