可调谐声学超表面的高品质因子频谱分离机理及实验研究

In recent years, spectrum splitting technology has drawn great attention from researchers, and have been applied to many aspects, such as light splitting, spectral composition analysis, filtering, biomedical sensing and so on. Although spectrum splitting technology is developing rapidly in the electromagnetic frequency band, so far, similar devices have been rarely studied in the acoustic frequency band. The appearance of acoustic metamaterials gives people a novel way to control the wave, making it possible to build a new type of acoustic spectrum splitter. In view of the to be solved problems that the size of the spectrum splitter is too large, not tunable and the quality factor is not high, and based on our previous research on the locally resonance-type acoustic metamaterials, this project aims to propose a structural model with strong coupling effect. Then, use it as structural unit to construct an acoustic metasurface that has both ultra-thin size, ultra-narrow operating band and tunability. On the basis of the anomalous scattering behavior of metasurface, the acoustic spectrum splitting with high quality factor will be finally realized. This project will be of great significance in improving the spectrum splitting technology in the field of acoustics, and also contributing to the development of acoustic tunable narrowband filtering, directional emission, switch, signal processing and cloaking.

近年来,频谱分离技术得到了研究者的极大关注，并且已广泛应用于分光、频谱成分分析、滤波、生物医学传感等诸多领域。虽然频谱分离技术在电磁波频段发展非常迅速，然而到目前为止，在声波频段中还鲜有类似的研究。声学超材料的出现赋予了人们利用全新的途径调控声波的能力，使发展新型的声波频谱分离技术成为可能。针对目前频谱分离技术中亟待解决的所需材料尺寸较大、不可调谐、品质因子较低等问题，本项目拟在前期对局域共振型声学超材料的研究基础上，提出一种具有强耦合效应的结构模型，并以此为基本单元构建同时具有超薄尺寸、超窄工作频带和可调谐能力的声学超表面。基于超表面所特有的反常散射行为，最终实现其在高品质因子的频谱分离方面的应用。本项目的开展对完善声学领域的频谱分离手段具有重要意义，也有助于推动声学可调窄带滤波、声定向发射、声开关、声信号处理、声隐身等领域的发展。

具有高品质因子的声学频谱分离器在声学可调窄带滤波、声定向发射、声开关、水声通讯、生物医学等领域有着重要的应用价值。然而，目前的频谱分离器一旦加工成型，不能实现灵活可调，而且其品质因子（Q因子）仍然较低。此外，所需材料普遍存在尺寸较大，不易集成的局限性。声学超构材料的提出赋予了人们利用全新的途径调控波的能力，使发展新型的频谱分离技术成为可能。. 基于以上背景，本项目面向声学领域中的声波幅值与相位的调控及声学超构材料的结构优化，围绕超构材料工作频段的主动可调谐性、高品质因子的频率选择性等所涉及的基本科学问题，建立了新型环杆耦合模型，阐明了其通过仅旋转内环即可对入射声场实现可调谐声学行为响应的物理机制，揭示了反射相位相对于内环旋转过程的演化规律。通过结构变形和参数优化，在其工作频带内实现了反射声波相位从0-2π范围内的可调控制，为主动可调声学器件的开发提供了一种新的思路。研究了以该模型为功能基元的声学超表面材料，通过改变功能基元间的相位梯度，以深亚波长的厚度实现了对反射声波传播路径的任意主动控制，有效促进了新型声学器件向小型化和集成化发展。借助环杆耦合模型的强谐振特性，并利用超表面构建思想，设计了声波频谱分离器，优化了模型结构，研究了其可靠工作效率和工作频带，在其设计频率2000Hz处，获得了17.5Hz的有效带宽，品质因子高达114，完成了超窄频带的定频高效波束分离，获得了高品质因子的可调声学频谱分离器。对该工作进一步拓展研究，通过将多孔介质和声学环杆耦合模型相结合实现了对超低频声波的高效吸收，利用多级环腔耦合模型实现了更加灵活可调的声学地毯式隐身，标志着声学超表面材料在噪声消除和声学隐身领域也具有潜在的应用价值。