连续可调任意形状声学超表面设计与波前调控机理分析

In this project the design idea for a continuously tunable acoustic metasurface with an arbitrary shape is put forward and the mechanism of its adjustability is analyzed. By using the metasurface, the continuous tunability of the acoustic wavefront and thus the control of broadband acoustic waves is realized. Thus the acoustic wave can be tuned. In this project the experimental studies are also conducted. The main contents include: 1.) Design the tunable screw typed space-coiling unit cells of the reflected and transmitted metasurfaces. 2.) Establish the effective medium models for the above reflected and transmitted unit cells. 3.) Design flat metasurfaces to realize the wavefront modulation of the acoustic waves by using the generalized Snell’s law with considering the one-way and two-way phase gradient, respectively. And carry out related experiments. 4.) Design arbitrarily curved metasurfaces. And do experimental studies for metasurfaces with some typical shapes such as cylinder and ellipsoid. This project will provide theoretical and experimental guidance for the applications of the acoustic metasurface in the acoustical devices such as directional reflection, directional reflection, acoustic cloak, acoustic focusing and so on.

本项目提出了一类任意形状连续可调声学超表面的设计思想，分析了其可调性的机理，实现了对宽频域声波波前的连续可调，进而实现了对声波的调控，并进行了实验验证。主要研究内容包括：1.）设计反射型和透射型超表面的可调螺旋式空间卷曲单元；2.）建立反射型和透射型单元的等效介质模型；3.）根据广义Snell定律，分别考虑相位分布具有单向梯度和双向梯度两种情况，设计平直界面的超表面，实现对声波波前的调控，同时进行相关实验；4.）设计圆柱面、椭球面以及任意形状的曲面超表面，并以若干典型的曲面形式如圆柱面、椭球面为例进行实验验证。本项目的研究将为声学超表面在声学器件中的应用如定向反射、定向折射、声隐身、聚焦等提供理论和实验指导。

超表面是由亚波长尺度的子结构所形成的，具有常规材料所不具备的特殊性能，对波前的调控非常灵活。学者们设计了不同的超表面来对电磁波、声波以及弹性波进行操控，实现了异常折反射、聚焦、波束自弯曲、幻像、地毯隐身等诸多的反常现象。但大多数的超表面只能在某一个工作频率或极窄的频率范围内实现特定的功能，这非常不利于超表面的实际应用。因此，本项目设计了一系列可调的透射型和反射型超表面，分析了其可调性的机理，宽频范围内实现了波前的连续可调控制，并进行了实验验证。主要研究内容包括：1.）设计透射型声学超表面可调单元：螺旋式空间卷曲单元和由亥姆霍兹共振腔组成的共振型单元。依据广义Snell定律，分别考虑相位分布具有单向梯度和双向梯度两种情况，构建平直超表面，对面内波（2维波场）和面外波（3维波场）的波前进行操控。宽频范围内实现了异常折射、聚焦、波束自弯曲等多种功能，并进行了相关的实验研究。2.）设计相应的反射型声学超表面可调单元，构建平直超表面对面内和面外反射声波进行灵活的波前调控，宽频范围内实现多功能之间的灵活切换。同时进行了相关的实验测试。3.）设计弧形的可调超表面对透射声波进行灵活的波前调控；推导了任意曲面声学超表面的广义Snell定律，据此设计可调超表面实现对反射声波的波前调控，并进行相关实验研究。4.）设计了可调弹性波超表面对板中弯曲波、面内波以及半无限大弹性体中的Rayleigh表面波进行了可调控制，同时对板中弯曲波进行了相应的实验验证。5.）对声波/弹性波超表面的研究进展进行了综述，从超表面的设计原理、功能基元的设计、波场操控及应用、可调超表面设计、编码超表面和展望这6个方面进行了详细的介绍。本项目的研究将为声学和弹性超表面在声波/弹性波器件中的应用如定向反射、定向折射、声隐身、聚焦等提供理论和实验指导。