近年来，作为一种可调控波相位、极化办法、传达方法的超薄声学人工外表结构，声学超构外表(Acoustic metasurfaces)能够完成许多别致的波控功用，在吸声降噪、医学超声、声波器材、勘探、通讯等范畴展现了宽广的使用远景。但是，绝大多数声学超构外表都面对杰出的窄带和功用色散问题，且自动调控的手法也存在功用色散、低可靠性、高体系杂乱度和高制作本钱等许多应战。更重要的是，可重构超构外表虽可确保离散频率下动摇功用，但不太可能适用于含多个频率的宽带入射波包。因而，从工程使用的视点来看，声学超构外表亟需完成被动式超宽带、非频变特性，也需更多新的结构方法与调控机理。

近期，北京理工大学方岱宁院士和董浩文副教授、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密切合作，并联合德国锡根大学张传增院士、美国杜克大学Steven A. Cummer教授、中科院深圳先进技能研讨院郑海荣教授和邱维宝研讨员等国内外学者，在超构资料范畴取得重要开展。该团队提出了定制化色散的逆向规划办法，使用面投影微立体光刻技能(nanoArch S140，摩方精细)完成了声学超构外表的高精度3D打印，成功结构了消色差声学超构外表，完成了高效、相对带宽为93.3%的声波定向传输、相对带宽为120%的能量聚集、相对带宽为118.9%的超声粒子悬浮等超宽带声学波束工程，并提醒了超宽带消色差特性的力学机理，为超宽带、高效、多功用超构资料器材供给了新的规划范式，可为先进结构技能与完.美动摇调控的结合供给体系的理论与办法。该研讨以“Achromatic metasurfaces by dispersion customization for ultra-broadband acoustic beam engineering”为题发表于《国家科学谈论》(National Science Review, NSR, https://doi.org/10.1093/nsr/nwac030, 2022)。

为取得超构外表的定制化色散特性，该研讨提出了体系的超宽带消色差 “至下而上”逆向规划结构（图1）。为完成声波反常折射、聚集和超声悬浮功用，超构外表需别离发生具有线性非色散、非线性非色散、非线性色散特性的三类波束，即：定向传输波束、聚集束和局域空心束（图1b）。事实上，为完成特定的色散、苛刻的相位散布与传输功率，一切超构外表单元有必要一起满意特定的等效折射率、相对群推迟以及相对群推迟色散。因而，本研讨建立了超构外表单元的“相位-功率-色散”的拓扑优化模型，使用遗传算法完成了超宽带、消色差、高效声学超构外表的逆向规划。

图1：超宽带消色差超构外表的逆向规划办法

为证明逆向规划办法的正确性与有效性，本研讨首要针对声波反常折射功用，规划出具有非对称部分腔体、曲折空气通道的超构外表单元（图2a）。在低频宽带范围内(1600-4400 Hz)，优化单元具有安稳的等效折射率与高传输率（图2b, 2c）以及线性非色散特性。值得注意的是，这种拓扑特征与传统的Helmholtz共振腔和迷宫结构十分不同。这种差异意味着超宽带非色散特性无法由单一构型所决议，而需求多种拓扑特征的组合来完成。仿真和试验成果也进一步验证了具有安稳折射角的高效、反常透射功用（图2d，2e）。

图2：逆向规划的声学超构外表与其超宽带高效反常波束折射

本研讨进一步规划出更杂乱的非对称超构外表单元（图3a），其具有超宽带安稳的等效折射率（图3b），且折射率添加的程度逐步下降；大部分超构外表单元均可坚持高于80%的传输功率（图3c）。风趣的是，#4、#5、#6和#7单元具有十分类似的拓扑特征，但#3、#2单元却出现彻底不同的特征，这意味着单一的拓扑构型无法完成超宽带非色散功用。成果表明，优化的超构外表可完成具有安稳焦距、高效、声波聚集功用（图3d，3e），证明了其超宽带[1000 Hz, 4000 Hz]、消色差特性。

图3：逆向规划的声学超构外表与其超宽带高效聚集

为更进一步展现所开展优化模型与办法的优势，本研讨还针对宽低频、高度杂乱的色散特性，规划出一系列具有非色散、非线性色散特性的高效超构外表单元（图4a）。经过特定的单元集成办法，构建了含13×13个微米标准单元(4.2 mm×4.2 mm×1.2 cm,S140，摩方精细，10 μm打印精度)、轻质、超薄的3D声波超外表(5.46 cm×5.46 cm×1.2 cm)。成果表明，超构外表可在[16.5 kHz, 66 kHz]内发生具有安稳悬浮方位的局域空心束（图4e），然后完成了单边、安稳、超宽带的超声悬浮现象（图4f），显着优于现在已知的超声悬浮技能。此外，超构外表的动摇功用对热粘滞损耗也具有很强的鲁棒性。

图4：逆向规划的声学超构外表与超宽带、单边、安稳的超声粒子悬浮

为提醒超宽带消色差特性的机理，本研讨具体地调查了具有线性非色散、线性非色散、非线性色散特性的3个代表性超构外表单元，剖析了其相位呼应（图5a-5c）、等效阻抗矩阵（图5d-5f）和散射性质（图5g-5i）。成果显现，优化的非对称单元均存在显着的内部共振(internal resonance)，然后有效地补偿了由单个结构块体色散而发生的杂乱相移。此外，3种单元也存在必定程度的双各向异性(bi-anisotropy)。更风趣的是，这种优化的超构外表单元还存在显着的多散射效应，可被视为一种新的超构外表规划自由度。

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