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面向超寬頻聲束工程的色散定製化消色差超構表面◕│☁,摩方精密

釋出時間╃╃☁:2022-09-14      點選次數╃╃☁:192

 

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··✘₪▩、醫學超聲··✘₪▩、聲波器件··✘₪▩、探測··✘₪▩、通訊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··✘₪▩、高系統複雜度和高製造成本等諸多挑戰☁✘•·↟。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◕│☁,但不太可能適用於含多個頻率的寬頻入射波包☁✘•·↟。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頻··✘₪▩、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◕│☁,並聯合德國錫根大學張傳增院士··✘₪▩、美國杜克大學Steven A. Cummer教授··✘₪▩、中科院深圳先進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☁✘•·↟。該團隊提出了定製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列印◕│☁,成功構造了消色差聲學超構表面◕│☁,實現了高效··✘₪▩、相對頻寬為93.3%的聲波定向傳輸··✘₪▩、相對頻寬為120%的能量聚焦··✘₪▩、相對頻寬為118.9%的超聲粒子懸浮等超寬頻聲學波束工程◕│☁,並揭示了超寬頻消色差特性的力學機理◕│☁,為超寬頻··✘₪▩、高效··✘₪▩、多功能超構材料器件提供了新的設計正規化◕│☁,可為先進結構技術與完.美波動調控的結合提供系統的理論與方法☁✘•·↟。該研究以“Achromatic metasurfaces by dispersion customization for ultra-broadband acoustic beam engineering"為題發表於《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製化色散特性◕│☁,該研究提出了系統的超寬頻消色差 “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··✘₪▩、嚴苛的相位分佈與傳輸效率◕│☁,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"的拓撲最佳化模型◕│☁,利用遺傳演算法完成了超寬頻··✘₪▩、消色差··✘₪▩、高效聲學超構表面的逆向設計☁✘•·↟。


1╃╃☁:超寬頻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◕│☁,設計出具有非對稱區域性腔體··✘₪▩、彎曲空氣通道的超構表面單元(圖2a)☁✘•·↟。在低頻寬頻範圍內(1600-4400 Hz)◕│☁,最佳化單元具備恆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◕│☁,這種拓撲特徵與傳統的Helmholtz共振腔和迷宮結構非常不同☁✘•·↟。這種區別意味著超寬頻非色散特性無法由單一構型所決定◕│☁,而需要多種拓撲特徵的組合來實現☁✘•·↟。模擬和實驗結果也進一步驗證了具有恆定折射角的高效··✘₪▩、異常透射功能(圖2d◕│☁,2e)☁✘•·↟。


2╃╃☁:逆向設計的聲學超構表面與其超寬頻高效異常波束折射

 

本研究進一步設計出更復雜的非對稱超構表面單元(圖3a)◕│☁,其具備超寬頻恆定的等效折射率(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於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徵◕│☁,但#3··✘₪▩、#2單元卻呈現*不同的特徵◕│☁,這意味著單一的拓撲構型無法實現超寬頻非色散功能☁✘•·↟。結果表明◕│☁,最佳化的超構表面可實現具有恆定焦距··✘₪▩、高效··✘₪▩、聲波聚焦功能(圖3d◕│☁,3e)◕│☁,證實了其超寬頻[1000 Hz, 4000 Hz]··✘₪▩、消色差特性☁✘•·↟。


3╃╃☁:逆向設計的聲學超構表面與其超寬頻高效聚焦

 

為更進一步展示所發展最佳化模型與方法的優勢◕│☁,本研究還針對寬低頻··✘₪▩、高度複雜的色散特性◕│☁,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)☁✘•·↟。透過特定的單元整合方式◕│☁,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列印精度)··✘₪▩、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]內產生具有恆定懸浮位置的局域空心束(圖4e)◕│☁,從而實現了單邊··✘₪▩、穩定··✘₪▩、超寬頻的超聲懸浮現象(圖4f)◕│☁,顯著優於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☁✘•·↟。


4╃╃☁:逆向設計的聲學超構表面與超寬頻··✘₪▩、單邊··✘₪▩、穩定的超聲粒子懸浮

 

為揭示超寬頻消色差特性的機理◕│☁,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◕│☁,最佳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複雜相移☁✘•·↟。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◕│☁,這種最佳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☁✘•·↟。

 

5╃╃☁:超寬頻消色差特性的協同作用機理

 

針對聲波超寬頻聲束工程◕│☁,本研究發展了融合相位··✘₪▩、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◕│☁,實現了超寬頻··✘₪▩、消色差聲波負折射··✘₪▩、聚焦和超聲懸浮三類功能◕│☁,揭示了超寬頻消色差特性的協同作用機理◕│☁,即╃╃☁:整合的內部共振··✘₪▩、雙各向異性以及多散射效應☁✘•·↟。研究可為超寬頻··✘₪▩、被動式··✘₪▩、多功能超構材料的構造提供系統性逆向設計方法◕│☁,可為2D/3D彈性波/聲波超構材料的大規模··✘₪▩、整合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◕│☁,揭示了寬頻力學機理◕│☁,實現了一系列高效能彈性波··✘₪▩、聲波··✘₪▩、水聲功能及器件◕│☁,為超構材料寬低頻響應的系統性創新設計提供瞭解決方案☁✘•·↟。



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