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(gòu)表面

來源： PuSL摩方

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

近期，北京理工大學(xué)方岱寧院士和董浩文副教授、香港理工大學(xué)成利院士、天津大學(xué)汪越勝教授、美國(guó)羅文大學(xué)沈宸助理教授、青島大學(xué)趙勝東副教授密切合作，并聯(lián)合德國(guó)錫根大學(xué)張傳增院士、美國(guó)杜克大學(xué)Steven A. Cummer教授、中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鄭海榮教授和邱維寶研究員等國(guó)內(nèi)外學(xué)者，在超構(gòu)材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)提出了定制化色散的逆向設(shè)計(jì)方法，利用面投影微立體光刻技術(shù)(nanoArch S140，摩方精密)實(shí)現(xiàn)了聲學(xué)超構(gòu)表面的高精度3D打印，成功構(gòu)造了消色差聲學(xué)超構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)了高效、相對(duì)帶寬為93.3%的聲波定向傳輸、相對(duì)帶寬為120%的能量聚焦、相對(duì)帶寬為118.9%的超聲粒子懸浮等超寬帶聲學(xué)波束工程，并揭示了超寬帶消色差特性的力學(xué)機(jī)理，為超寬帶、高效、多功能超構(gòu)材料器件提供了新的設(shè)計(jì)范式，可為先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)與完美波動(dòng)調(diào)控的結(jié)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(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review, NSR, https://doi.org/10.1093/nsr/nwac030, 2022)。

為獲得超構(gòu)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(shè)計(jì)框架（圖1）。為實(shí)現(xiàn)聲波異常折射、聚焦和超聲懸浮功能，超構(gòu)表面需分別產(chǎn)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(shí)上，為實(shí)現(xiàn)特定的色散、嚴(yán)苛的相位分布與傳輸效率，所有超構(gòu)表面單元必須同時(shí)滿足特定的等效折射率、相對(duì)群延遲以及相對(duì)群延遲色散。因此，本研究建立了超構(gòu)表面單元的“相位-效率-色散”的拓?fù)鋬?yōu)化模型，利用遺傳算法完成了超寬帶、消色差、高效聲學(xué)超構(gòu)表面的逆向設(shè)計(jì)。

圖1：超寬帶消色差超構(gòu)表面的逆向設(shè)計(jì)方法

為證實(shí)逆向設(shè)計(jì)方法的正確性與有效性，本研究首先針對(duì)聲波異常折射功能，設(shè)計(jì)出具有非對(duì)稱局部腔體、彎曲空氣通道的超構(gòu)表面單元（圖2a）。在低頻寬帶范圍內(nèi)(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?fù)涮卣髋c傳統(tǒng)的Helmholtz共振腔和迷宮結(jié)構(gòu)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(gòu)型所決定，而需要多種拓?fù)涮卣鞯慕M合來實(shí)現(xiàn)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)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(shè)計(jì)的聲學(xué)超構(gòu)表面與其超寬帶高效異常波束折射

本研究進(jìn)一步設(shè)計(jì)出更復(fù)雜的非對(duì)稱超構(gòu)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(gòu)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?fù)涮卣�，�?3、#2單元卻呈現(xiàn)完全不同的特征，這意味著單一的拓?fù)錁?gòu)型無法實(shí)現(xiàn)超寬帶非色散功能。結(jié)果表明，優(yōu)化的超構(gòu)表面可實(shí)現(xiàn)具有恒定焦距、高效、聲波聚焦功能（圖3d，3e），證實(shí)了其超寬帶[1000 Hz, 4000 Hz]、消色差特性。

圖3：逆向設(shè)計(jì)的聲學(xué)超構(gòu)表面與其超寬帶高效聚焦

為更進(jìn)一步展示所發(fā)展優(yōu)化模型與方法的優(yōu)勢(shì)，本研究還針對(duì)寬低頻、高度復(fù)雜的色散特性，設(shè)計(jì)出一系列具有非色散、非線性色散特性的高效超構(gòu)表面單元（圖4a）。通過特定的單元集成方式，構(gòu)建了含13×13個(gè)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(zhì)、超薄的3D聲波超表面(5.46 cm×5.46 cm×1.2 cm)。結(jié)果表明，超構(gòu)表面可在[16.5 kHz, 66 kHz]內(nèi)產(chǎn)生具有恒定懸浮位置的局域空心束（圖4e），從而實(shí)現(xiàn)了單邊、穩(wěn)定、超寬帶的超聲懸浮現(xiàn)象（圖4f），顯著優(yōu)于目前已知的超聲懸浮技術(shù)。此外，超構(gòu)表面的波動(dòng)功能對(duì)熱粘滯損耗也具有很強(qiáng)的魯棒性。

圖4：逆向設(shè)計(jì)的聲學(xué)超構(gòu)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(jī)理，本研究詳細(xì)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(gè)代表性超構(gòu)表面單元，分析了其相位響應(yīng)（圖5a-5c）、等效阻抗矩陣（圖5d-5f）和散射性質(zhì)（圖5g-5i）。結(jié)果顯示，優(yōu)化的非對(duì)稱單元均存在明顯的內(nèi)部共振(internal resonance)，從而有效地補(bǔ)償了由單個(gè)結(jié)構(gòu)塊體色散而產(chǎn)生的復(fù)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(gòu)表面單元還存在顯著的多散射效應(yīng)，可被視為一種新的超構(gòu)表面設(shè)計(jì)自由度。

圖5：超寬帶消色差特性的協(xié)同作用機(jī)理

針對(duì)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(xué)超構(gòu)表面通用逆向設(shè)計(jì)框架，設(shè)計(jì)出一系列新型非對(duì)稱超表面，實(shí)現(xiàn)了超寬帶、消色差聲波負(fù)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(jī)理，即：集成的內(nèi)部共振、雙各向異性以及多散射效應(yīng)。研究可為超寬帶、被動(dòng)式、多功能超構(gòu)材料的構(gòu)造提供系統(tǒng)性逆向設(shè)計(jì)方法，可為2D/3D彈性波/聲波超構(gòu)材料的大規(guī)模、集成設(shè)計(jì)提供重要的理論指導(dǎo)與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。近年來，本團(tuán)隊(duì)已提出了多種彈性波/聲波超構(gòu)材料的逆向設(shè)計(jì)模型，揭示了寬帶力學(xué)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了一系列高性能彈性波、聲波、水聲功能及器件，為超構(gòu)材料寬低頻響應(yīng)的系統(tǒng)性創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了解決方案。