近年來,，作為一種可調控波相位,、極化方式,、傳播模式的超薄聲學人工表面結構，聲學超構表面(Acoustic metasurfaces)可以實現許多新奇的波控功能,，在吸聲降噪,、醫(yī)學超聲、聲波器件,、探測,、通信等領域展現了廣闊的應用前景。然而,，絕大多數聲學超構表面都面臨突出的窄帶和功能色散問題,，且主動調控的手段也存在功能色散、低可靠性,、高系統(tǒng)復雜度和高制造成本等諸多挑戰(zhàn),。更重要的是，可重構超構表面雖可保證離散頻率下波動功能,，但不太可能適用于含多個頻率的寬帶入射波包。因此,，從工程應用的角度來看,，聲學超構表面亟需實現被動式超寬帶,、非頻變特性,，也需更多新的結構形式與調控機理。
近期，北京理工大學方岱寧院士和董浩文副教授,、香港理工大學成利院士,、天津大學汪越勝教授、美國羅文大學沈宸助理教授,、青島大學趙勝東副教授密切合作,，并聯合德國錫根大學張傳增院士、美國杜克大學Steven A. Cummer教授,、中科院深圳*技術研究院鄭海榮教授和邱維寶研究員等國內外學者,，在超構材料領域取得重要進展。該團隊提出了定制化色散的逆向設計方法,，利用面投影微立體光刻技術(nanoArch S140，摩方精密)實現了聲學超構表面的高精度3D打印，成功構造了消色差聲學超構表面,，實現了高效,、相對帶寬為93.3%的聲波定向傳輸、相對帶寬為120%的能量聚焦,、相對帶寬為118.9%的超聲粒子懸浮等超寬帶聲學波束工程,，并揭示了超寬帶消色差特性的力學機理，為超寬帶,、高效,、多功能超構材料器件提供了新的設計范式，可為*結構技術與完,。美波動調控的結合提供系統(tǒng)的理論與方法,。該研究以“Achromatic metasurfaces by dispersion customization for ultra-broadband acoustic beam engineering"為題發(fā)表于《國家科學評論》(National Science Review, NSR, https://doi.org/10.1093/nsr/nwac030, 2022)。
為獲得超構表面的定制化色散特性,，該研究提出了系統(tǒng)的超寬帶消色差 “至下而上"逆向設計框架（圖1）,。為實現聲波異常折射、聚焦和超聲懸浮功能,，超構表面需分別產生具備線性非色散,、非線性非色散、非線性色散特性的三類波束,，即：定向傳輸波束,、聚焦束和局域空心束（圖1b）。事實上,，為實現特定的色散,、嚴苛的相位分布與傳輸效率，所有超構表面單元必須同時滿足特定的等效折射率,、相對群延遲以及相對群延遲色散,。因此，本研究建立了超構表面單元的“相位-效率-色散"的拓撲優(yōu)化模型,，利用遺傳算法完成了超寬帶,、消色差、高效聲學超構表面的逆向設計,。
圖1：超寬帶消色差超構表面的逆向設計方法
為證實逆向設計方法的正確性與有效性，本研究首先針對聲波異常折射功能,，設計出具有非對稱局部腔體,、彎曲空氣通道的超構表面單元（圖2a）。在低頻寬帶范圍內(1600-4400 Hz),，優(yōu)化單元具備恒定的等效折射率與高傳輸率（圖2b, 2c）以及線性非色散特性,。值得注意的是,，這種拓撲特征與傳統(tǒng)的Helmholtz共振腔和迷宮結構非常不同。這種區(qū)別意味著超寬帶非色散特性無法由單一構型所決定,，而需要多種拓撲特征的組合來實現,。仿真和實驗結果也進一步驗證了具有恒定折射角的高效、異常透射功能（圖2d,，2e）,。
圖2：逆向設計的聲學超構表面與其超寬帶高效異常波束折射
本研究進一步設計出更復雜的非對稱超構表面單元（圖3a）,，其具備超寬帶恒定的等效折射率（圖3b）,，且折射率增加的程度逐漸降低,；大部分超構表面單元均可保持高于80%的傳輸效率（圖3c）。有趣的是,，#4,、#5、#6和#7單元具有非常相似的拓撲特征,，但#3,、#2單元卻呈現完。全不同的特征,，這意味著單一的拓撲構型無法實現超寬帶非色散功能。結果表明,，優(yōu)化的超構表面可實現具有恒定焦距,、高效、聲波聚焦功能（圖3d,，3e），證實了其超寬帶[1000 Hz, 4000 Hz],、消色差特性,。
圖3：逆向設計的聲學超構表面與其超寬帶高效聚焦
為更進一步展示所發(fā)展優(yōu)化模型與方法的優(yōu)勢，本研究還針對寬低頻,、高度復雜的色散特性，設計出一系列具有非色散,、非線性色散特性的高效超構表面單元（圖4a）,。通過特定的單元集成方式，構建了含13×13個微米尺度單元(4.2 mm×4.2 mm×1.2 cm,S140,，摩方精密,，10 μm打印精度),、輕質、超薄的3D聲波超表面(5.46 cm×5.46 cm×1.2 cm),。結果表明,，超構表面可在[16.5 kHz, 66 kHz]內產生具有恒定懸浮位置的局域空心束（圖4e），從而實現了單邊,、穩(wěn)定,、超寬帶的超聲懸浮現象（圖4f），顯著優(yōu)于目前已知的超聲懸浮技術,。此外,，超構表面的波動功能對熱粘滯損耗也具有很強的魯棒性。
圖4：逆向設計的聲學超構表面與超寬帶,、單邊,、穩(wěn)定的超聲粒子懸浮
為揭示超寬帶消色差特性的機理，本研究詳細地考察了具有線性非色散,、線性非色散,、非線性色散特性的3個代表性超構表面單元，分析了其相位響應（圖5a-5c）,、等效阻抗矩陣（圖5d-5f）和散射性質（圖5g-5i）,。結果顯示，優(yōu)化的非對稱單元均存在明顯的內部共振(internal resonance),，從而有效地補償了由單個結構塊體色散而產生的復雜相移,。此外，3種單元也存在一定程度的雙各向異性(bi-anisotropy),。更有趣的是,，這種優(yōu)化的超構表面單元還存在顯著的多散射效應，可被視為一種新的超構表面設計自由度,。
圖5：超寬帶消色差特性的協同作用機理
針對聲波超寬帶聲束工程,，本研究發(fā)展了融合相位、幅值,、色散,、功能的聲學超構表面通用逆向設計框架，設計出一系列新型非對稱超表面,，實現了超寬帶,、消色差聲波負折射、聚焦和超聲懸浮三類功能,，揭示了超寬帶消色差特性的協同作用機理,，即：集成的內部共振、雙各向異性以及多散射效應,。研究可為超寬帶,、被動式,、多功能超構材料的構造提供系統(tǒng)性逆向設計方法，可為2D/3D彈性波/聲波超構材料的大規(guī)模,、集成設計提供重要的理論指導與結構基礎,。近年來，本團隊已提出了多種彈性波/聲波超構材料的逆向設計模型,，揭示了寬帶力學機理,，實現了一系列高性能彈性波、聲波,、水聲功能及器件,，為超構材料寬低頻響應的系統(tǒng)性創(chuàng)新設計提供了解決方案。
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