《聲學超表面的物理機制及其套用研究》是依託華南理工大學，由梅軍擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：聲學超表面的物理機制及其套用研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：梅軍
- 依託單位：華南理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
聲學超表面作為近2年提出的新概念，一出現便吸引了人們的關注，其獨特的優勢在於：它不僅能夠幾乎隨意地調控聲波的波前，而且與三維的聲子晶體、聲學超材料相比，二維的聲學超表面，其厚度比一個波長還小，占用空間很少，因而具有廣闊的套用前景，在聲學成像與探測、超聲診斷與治療、聲透鏡設計與最佳化等諸多領域具有獨到的優勢。儘管如此，與已然蓬勃發展的聲子晶體和聲學超材料相比，聲學超表面的研究才剛剛起步，還有很多未知的領域等待人們去探索。有鑒於此，申請人把聲學超表面作為研究對象，從多個角度系統深入研究其物理性質：引入材料的損耗/增益因素，考慮時空對稱性的影響，探索聲波的不可逆傳播；發揮其優勢，高效地調控目標物的聲散射信號；跳出傳統思路的限制，最佳化其空間組織形式；結合套用前景，大幅度拓展對聲波的操控能力。通過本項目的開展，力求對聲學超表面有一個比較全面而深入的了解，為其在生物、醫學、軍事等領域的套用奠定基礎。
結題摘要
結合套用前景，我們對聲學超表面的物理機制、結構形式和關鍵性能等方面進行了研究，取得了一定的成果。具體來說，利用聲學超表面，我們能高效地對聲波進行各種調控，包括對水中正入射聲波實現99.7%的吸收，在斜入射時也能保持超過90%的吸收率直至50度入射角。研究了膜型超表面在不同情況下所能達到的聲波吸收效率的上限，通過分析表面阻抗和能流密度，並結合格林函式，得到了單向入射聲波的最大吸收效率。利用Mie氏散射，設計超表面使得彼此正交的偶極共振模在低頻區重合，依據Kerker條件，通過調節幾何參數實現了前向散射加強和背向散射減弱，得到了阻抗匹配的惠更斯超表面。設計了一種“樂高積木”型超表面，它由內外2層鏤空的同心鋼環面組成，聲源位於圓心。通過調節鋼環的缺口大小，以及內外層鋼環之間的耦合強度，可在低頻區獲得顯著增強的Purcell因子共振峰。近場強度分布和遠場輻射效果都可用各向異性有效介質理論解釋。面向醫療、生物等領域的實際套用，我們設計了針對水中聲波進行操控的聲學超格柵。從實際需求出發，逆向求解問題，根據所要達到的聲波調控目標，反過來確定散射體材料和幾何參數。儘管只用到鐵圓柱這種最簡單的散射體，在多重散射理論和遺傳算法的協助下，依然能快速找到滿足實際需求的結構，能實現多種聲波操控目標：分束反射、異常反射、回反射、異常透射，PT材料導致的非對稱散射等，且調控效率接近100%。 超表面只有亞波長厚度，卻能調控波的傳播，而拓撲結構也有類似功能。為此，我們將超表面的研究拓展到在亞波長厚度彈性薄板中的超聲蘭姆波以及水表面波。發現在薄板中不同拓撲類邊界上傳播的超聲蘭姆波，具有顯著提高的信息容量，為實現可控、魯棒、高容量的聲通訊提供了有益的嘗試。水表面波和聲波類似，都是機械振動引起，但它是縱波和橫波的混合體，形態更複雜。在水底面引入人工結構，能在低頻區域實現對水波傳播的有效調控。
