对由不同共振单元或含人工结构固体板构建的声学超表面（acoustic metasurface）的研究

Materials’ properties not only depend on their compositions but also relay on their internal structures. In the past decades, waves propagating in complex media with internal artificial structures has attracted widespread interest. One hot topic in the artificial structures area is the "acoustic metasurface materials". In this project, we will systematically investigate the properties of acoustic metasurfaces constructed by several kinds of internal artificial structures. We will study the acoustic metasurfaces contain resonant units, including "bubble-in-water" resonances, "core-with-rubber-coating" resonances and so on. We will also study the elastic metasurfaces, which can manipulate elastic waves. We will study the acoustic metasurfaces constructed by solid plates with artificial structures. This kind of acoustic metasurfaces can be designed by the geometry or elastic properties of the solid plates, resulting in brief internal structures and small sizes. Based on those preceding theoretical works, we will design acoustic devices, such as wave-conversion or acoustic mirage cover, which can mislead the detections form people or radars. The acoustic metasurface materials have just opened a new area, thus the research of this project will help to put forward new concepts, get new designs and purpose new applications.

材料的宏观性能不仅取决于材料的化学成分，还依赖于材料的微观结构。近几十年来对光波/声波在含人工微结构的复合介质中传播问题的研究得到广泛关注，其中声学超表面（acoustic metasurface）对声波的操控是近几年的研究前沿之一。在本项目中，我们将考察包含不同“微观”人工结构的声学超表面的性能。一方面我们将研究由不同共振单元构建的声学超表面的性能，包括由气泡和水组成的共振单元、由软包层和重核组成的共振单元等。同时我们还将研究能操控弹性波的声学超表面。另一方面我们将研究由含人工结构固体板构建的声学超表面，研究通过改变固体板几何参数和材料参数来调节声学超表面的性能，从而得到内部结构更简单的、小尺寸的声学超表面。在这些理论研究工作的基础上，设计具有纵-横波模式转换、声学隐身/幻象等功能的声学器件。本项目对声学超构表面材料的研究有助于提出新概念，发现新方法，预期新应用，具有科学意义。

（1）项目背景.声学超表面作为声学超材料的一个分支，最近引起越来越多的关注。然而这种新型的人工结构还缺乏系统的研究，构成声学超表面的结构单元比较单一，适用范围大多数在空气基体中，尤其对弹性波的相关研究非常有限。本项目针对这些薄弱环节进行更深入的研究。..（2）研究内容.1、利用类比的方法，研究使用不同种类的结构单元构建声学超表面，包括三组元共振单元、四极子共振单元等。2、在前面工作的基础上，进一步研究所有声学超表面的共性，提出通用模型。3、利用各向异性的三组元共振单元构建内部结构不固定的、可调节的声学超表面，和能够操控弹性波的固体超表面。4、研究利用含人工结构固体板构建声学超表面。..（3）重要结果.1、我们用三组元共振单元和四极子共振单元构建了新的声学超表面。2、我们提出了描述超表面的物理模型，并验证模型的部分预测。3、我们用各向异性的三组元设计了内部结构不固定的可调节的声学超表面，将传统声学超表面的工作频率从单频拓展到宽频。4、我们设计了能够实现任意位相+振幅的组合的声学超表面，并利用它实现了声学幻象的效果。5、我们设计了可以操控弹性波的极化方向的固体超表面，并利用它实现了低频下纵横波之间完全的能量转换。 6、我们研究了作用于表面波的表面材料。通过设计不同的几何形状的三组元共振单元，得到低频下较宽的表面波带隙。..（4）关键数据.用波长百分之一大小的结构单元实现百分之百的完全纵横波模式之间的能量转换。..（5）科学意义.我们进一步完善了声学超表面的体系；用真实的固体材料构建声学超表面，用新方法将其适用范围从空气扩展水下和地下；我们提出和计算了传统声学超表面的极限，并设计方案打破这个极限；我们把声学超表面的能力拓展到操控弹性波的模式上，实现了低频下纵横波之间的模式转换，这将有助于解决对水下吸声方面的问题。