声学相干完美吸收体

The absorption of sound (acoustic waves) not only has wide applications, but also is an important fundamental scientific issue. Recently, the concept of coherent perfect absorbers (CPAs) has been proposed in optics. Its physical principle is the inverse process of laser generation, i.e. utilizing the interference within the absorber effectively such that the absorber exhibits almost perfect (nearly 100%) absorption. However, it has been proven in theory that only materials with certain specific parameter values can be applied to create CPAs. Metamaterials is a new kind of manmade materials with microstructures, which can exhibit material effective parameters with almost any value by adjusting their microstructures. Thus, metamaterials are the perfect materials to build CPAs. In this project, we will realize acoustic CPAs by using acoustic metamaterials, and optimize their properties in various ways. Detailed research topics include: 1, build the theory of acoustic CPAs by analogue with that in optics; 2, design proper acoustic metamaterials which possess the corresponding stringent parameters that are needed by the acoustic CPAs, build the acoustic CPA and verify the perfect absorption of sound by simulations and experiemnts; 3, design more advanced acoustic CPAs with advantages of wide-band, low-frequency, and wide-angle absorption by various means.

声音的吸收不仅具有广泛的应用价值，而且是一个重要的基本科学问题。最近，相干完美吸收体的概念在光学里被提出。其原理是产生激光的逆过程，即有效利用相干光在吸收体内的干涉效应，使得吸收体拥有几乎完美（接近100%）的吸收效率。然而，理论证明了相干完美吸收体的材料参数需满足严格的特定条件。超材料是一种新型人工微结构材料，可以通过改变其微结构而调制出几乎任意的有效介质参数。因此，超材料是构建相干完美吸收体的理想材料。本项目拟首次将相干完美吸收体的概念引入声学中来，利用声学超材料实现这种新型吸声体，并在多方面对其进行优化。具体的研究内容包括：1，类比光学中相关研究，建立起声学相干完美吸收体的新理论；2，根据新理论预测出的材料参数，来设计相应的声学超材料，并最终构建出声学相干完美吸收体，验证其近乎完美的吸音性能；3，采用多种措施提升声学相干完美吸收体的能力，使其具有低频，宽频，广角吸收等优点。

在光学相干完美吸收体领域蓬勃发展的背景下，我们的工作将光学相干完美吸收体的概念引入到声学中来，建立了声学相干完美吸收体理论，并做了一定的实验验证。主要内容包括：1，从光学类比出发，建立起声学相干完美吸收体的理论；2，根据声学相干完美吸收体所需的材料参数，设计出相应的声学超材料并构建出声学相干完美吸收体；3，采用多种措施设计更高级的声学相干完美吸收体，使其具有低频，宽频，广角吸收等优点。我们取得的重要结果包括：1，从二维结构出发，在学术界首次提出声学相干完美吸收体的概念和理论；2，从有效介质出发，建立了一层超薄膜如何在硬墙背景和自由边界背景的情况下，实现超宽频完美吸收的理论。3，通过设计光子/声子晶体，发现了周期结构导致宽角度阻抗匹配的效应，在微波段做了实验验证。4，通过设计超材料结构柱，实现了只能传播纵波/横波的特殊振动柱。5，研究了以光学/声学双零材料为背景的无序体系的渗流透射性质。6，研究了各向异性零折射率介质下的亚波长尺度任意能流操控，等等。共发表21篇SCI论文，其中Physical Review Letters 2篇，Nature Communications 1篇。此外，还撰写英文书籍章节1篇，获得授权发明专利1项，获得江苏省科技进步奖二等奖1项，多次在国际会议上作邀请报告。基本完成了项目任务。