宽频声学超表面的拓扑优化设计及波动调控研究

As the novel ultrathin artificial structures, acoustic metasurfaces have some advantages about the plane characteristic, flexible ability of controlling waves, good workability and easy integration, leading to the broad application prospects in the fields of noise control, medical ultrasound, defense industry and architectural acoustics, etc. In order to break through the limitations of artificial or empirical designs, the proposal will construct the topology optimization model of phase manipulation within the given frequency range for the transmitted acoustic wave controlling, taking into account the gradient and coding configurations. The broadband, high-transmission and ultrathin metasurfaces are designed by the multiple elitist genetic algorithms combined with the adaptive fuzzy fitness granulation. The effects of different optimization and characterization parameters on the acoustic wave manipulations are analyzed to reveal the representative topological features of optimized structures and illuminate their physical mechanisms. Broadband transmitted wave manipulations including the acoustic imaging and customized acoustic focusing are realized. The acoustic focusing based on the optimized coding metasurfaces will be demonstrated experimentally. The main contents include the topology optimization model of acoustic transmitted phase manipulation, topology optimization of gradient metasurfaces and acoustic imaging, and topology optimization of coding metasurfaces and customized acoustic focusing. The research findings will provide the novel strategy and systematic guidance for structural designing of acoustic metasurfaces, and lay the structure foundations for programmable metasurfaces and even new acoustic devices.

声学超表面作为一种新型超薄人工结构，由于具备平面特性、灵活的波控能力、易加工、易集成等优点，在噪声控制、医学超声、国防工业、建筑声学等领域具有广阔的应用前景。为突破人工或经验设计的局限，该申请项目拟针对透射声波的调控，考虑渐变和编码式构型，构建给定频域内相位调控的拓扑优化模型；采用多精英遗传算法结合自适应模糊适应度粒化法，设计宽频、高透射率的超薄超表面；分析不同优化参量和表征参量对声波调控的影响，揭示优化结构的典型拓扑特征并阐明其物理机制；实现声波成像及定制化声波聚焦的宽频透射波控功能；对优化的编码超表面进行声波聚焦的实验研究。主要研究内容包括：透射相位调控的拓扑优化模型；渐变式超表面的拓扑优化及声波成像；编码式超表面的拓扑优化及定制化的声波聚焦。项目的研究成果将为透射型声学超表面的结构设计提供新的策略和系统性指导，为可编程超表面甚至新型声学器件奠定结构基础。

声学超构材料在波动、振动和噪声领域有着广泛的应用前景，将带来一系列颠覆性技术。本项目针对声波超表面、双负声波超材料、声波拓扑绝缘体以及五模超材料，借助拓扑优化方法和波动调控分析理论，探索宽低频声学超构材料的系统逆向设计与宽低频波动机理，进而实现特定的宽低频声波和弹性波操控功能以及波动器件。主要研究内容包括：（1）超宽带消色差声波超表面的拓扑优化及波动调控；（2）2D/3D宽带双负声波超材料的拓扑优化及宽低频成像；（3）宽带声波拓扑绝缘体的拓扑优化及定制化设计；（4）宽带五模超材料的拓扑优化及水声调控。取得以下若干研究成果：.（1）构建了宽带声波超表面的逆向设计框架，设计出具有超宽带的超表面，分别实现了声波负折射、聚焦和超声悬浮三类代表性波控功能，发现了新型的非对称腔体拓扑特征，揭示了超宽带的物理机制，即：集成的内部共振、双各向异性以及多散射效应。.（2）构建了双负超材料的逆向设计模型，探索出新的宽频双负的机理并揭示出其典型的拓扑特征。基于等效的电容-电感模型，进一步系统地阐明宽频双负的机制，并准确预测双负频率范围的上下限。基于优化双负微结构，构建出简单、高对称、强鲁棒性的二维和三维超透镜。.（3）构建了具有定制化特性的声学狄拉克锥，包括：多种奇异的简并机制、典型的结构对称性、不同波长尺度以及给定的拓扑态性质等。证实狄拉克点附近的完美隐身与Talbot 效应。基于定制化的拓扑态，实现了基于自旋霍尔效应的宽带声波拓扑传输性质与单向传输效应。.（4）构建了宽带五模超材料的统一逆向设计框架，设计出具有宽带单一纵波模式的五模超材料，实现了完美的无散射水声传播特性，揭示了宽带单模的五模特性之形成机制；进一步构建了五模超表面的反演设计模型，基于典型的“功能-宏观-微观”一体化设计，设计出可在低宽频域内实现完美水声噪音屏蔽的五模器件。..本项目对宽带声学超构材料的系统性逆向设计及波动调控研究，为2D/3D声波/弹性波超构材料的大规模集成设计与应用提供了重要的理论指导与实施基础。