单向纤维复合材料声学超表面

声学超表面是一种能够调节声波反射、透射和吸收特性的超薄人工结构,对于空间受限的应用领域具有重要价值,目前声学超表面主要借助超构材料来实现。提出一种非超构材料的新型声学超表面,采用单向纤维周期复合材料对声波进行调制,实现了声波的定向反射调控。借助复合材料细观力学方法,采用均匀化理论和优化方法设计周期复合材料单胞的组分,使单胞具有特定的等效力学性能与声学性能,并满足特性阻抗匹配,从而形成超表面所需的声速梯度分布。通过能带分析获得了单胞纵波波速与频率的关系,显示出复合材料超表面的宽频特性。定向反射仿真展示了复合材料超表面操控声波的有效性,并验证了对于垂直入射声波纵波是影响波控性能的主要因素。研究工作为声学超表面及其他声学波控装置的设计提供了一种新途径。     

卷曲空间型超表面对声波的调控

声学超表面具有天然材料所不具备的独特属性,为声学器件的设计提供了多样性。以广义斯涅尔定律为理论基础,设计了具有多种声波调控能力的折射型相位梯度超表面。该超表面由8个具有不同结构参数的卷曲空间单元结构组合而成,在中心频率3 500 Hz附近,8个单元结构的相位覆盖π范围且声波透射率较高。通过合理地设计超表面水平方向上的相位梯度变化,能够实现对声波的任意调控,在理论和有限元仿真上依次实现了异常折射、无衍射贝塞尔声束和声聚焦。这种厚度薄、透射率高的声超表面,在声学器件设计方面具有潜在的应用价值。     

声学超构材料技术实用化的进展

声学超构材料是当前声学和材料学一个热门的研究领域.声学超构材料可定义为:通过对材料在特征物理尺度上进行人工设计制备,使其具有超越常规材料的声学性能的一种人工序构的复合材料.其亚波长特性、超常声学性能以及颠覆性应用的可能吸引了学界和工程界的关注.21世纪以来,随着增材制造技术的发展,声学超构材料的实验室加工与制备问题得以...     

局域共振型五模超构材料的低频声波调控方法

五模超构材料是一类具有固体结构与"流体"特性的人工微结构,由于较好的压缩波与剪切波的解耦合能力、 较低的填充率、丰富的晶格构型及可调参数较多等特点,在声波/弹性波隐身衣、声学波导、声学超构表面等声波调控领域具有潜在应用.由单质材料组成的五模超构材料可以被看作是布拉格散射型的声子晶体,其工作频率在高频波段,而目前针对低频...     

超表面实现复杂矢量涡旋光束的研究进展

作为一种人工微纳器件，超表面能够对光束的传播和相位进行精确的调控。具有不同偏振矢量特性的涡旋光束具有独特的光场分布特性，利用超表面生成复杂状态的矢量涡旋光场具有越来越广泛的研究前景。本文针对产生矢量涡旋光束超表面的材料进行分类，介绍了金属超表面、全介质超表面和智能超表面在矢量涡旋光束生成和调控方面的研究进展。我们详细阐述了超表面利用不同相位理论对入射波前调制的原理和超表面生成的不同矢量涡旋光束的特性，并探讨了这两者之间的联系。此外，我们总结了利用超表面代替传统光学器件生成矢量涡旋光束的优势，并展望了未来利用不同材料的超表面进行矢量光场调控研究方面的挑战和可能性。     

声学超表面研究及应用进展

声学超表面是基于广义斯涅尔定律,通过控制波前相位从而进行声波调控的新型人工结构,是声学超材料的重要分支,其新颖的调控机制和灵活的结构设计已经展现出广阔的应用前景。阐述了声学超表面的设计原理与相关研究进展,并对声学超表面有待解决的问题和发展趋势进行了探讨,对于波控结构的设计与制备实现具有指导意义。     

基于超材料的无标记光学生物传感

超材料(metamaterials)因为能够在亚波长尺度范围内精细调控电磁波而受到人们广泛关注。超材料具有丰富的电磁模态,在表面支持高度局域场增强且对周围介电环境极其敏感,可应用于无标记光学生物传感领域。与传统光学生物传感器相比,超材料生物传感器具有小型化、集成化、高度灵敏、多功能可定制等突出优点。本文总结了近年来超材料生物传感器在可见光、近红外、中红外以及太赫兹波段的研究进展,包括折射率生物传感、表面增强拉曼散射、表面增强红外吸收和太赫兹生物传感等。     

基于轻薄硬质超表面的空气声波反射场操控

对反射声波的复杂操控是声学研究的基础问题之一,并广泛应用于房间声学设计及噪声能量消除等重要场合。近年来出现的声学超表面为声学功能器件的小型化提供了新的启示,因此如何进一步缩减其尺寸和重量具有重要的物理意义与应用价值。展示了一种轻薄超表面结构对低频空气声波所产生反射声场的高效、精准操控。通过理论计算证明了利用简单的扁平中空结构,可在不显著牺牲能量反射率及结构强度的前提下,通过调控单个结构参数产生0~2π范围内的反射相位,同时避免了制备难度高和增加器件重量的复杂内部结构,因此具有尺寸超薄(λ₀/20)、重量轻盈、反射率高及制备简单等优势。通过实现任意角度的异常反射、基于超薄平面透镜的可调声聚焦、构建平面棱锥镜产生类贝塞尔声束3个典型例子展示了该器件对反射声波的丰富操控性能。实现基于轻薄超表面对反射声场的操控,有助于新型平面声学器件的研究与应用,并有望在建筑声学、噪声控制、扬声器设计等领域中产生重要价值。     

基于高阻硅超表面结构的太赫兹聚焦透镜设计

本文利用亚波长硅圆柱组成的超表面设计了用于太赫兹探测器的聚焦透镜,通过改变硅柱的直径,实现对太赫兹波传输相位0～2π的调控。在1 THz频率下,所设计的单面超表面透镜,太赫兹波电场能量密度提升到入射平面波的32倍。基于工艺制备可行性和抗反射考虑,提出了一种双面超表面透镜,将电场能量密度提升到入射平面波的44倍。对比于传统超半球太赫兹硅透镜,超表面透镜具有厚度薄,体积小的优点,有利于太赫兹探测器组件的小型化,为实现与太赫兹探测器的集成提供了可能性。     

应用单层超表面实现声波宽角度非对称传输

利用单层梯度超表面结构,设计并模拟验证了一种实现声波非对称传输的方法,在较宽的角度范围内实现了高对比度的声波非对称传输。经过恰当的超表面结构设计后,负折射现象实现了声波的正向导通;高阶衍射的抑制导致了反向入射的声波传输被禁止。基于广义斯涅耳定律分析了非对称传输的原理,采用有限元法的数值模拟结果很好地验证了理论分析。研究结果在噪声控制、超声整流或治疗等方面具有潜在的应用价值。     

水下声学超材料研究

声学超材料在空气中应用的研究已经很多,通过对其声学负参数的研究可以实现负折射、 声隐身、 波束控制以及超分辨成像等功能.声学超材料在空气中的良好应用也让更多的研究者们聚焦水下声学超材料(简称水声超材料)声聚焦、声透射等的研究,其在水下的研究涉及到流固耦合以及模式转换的影响,会更加复杂.水下研究的主要难题有尺度大、低频性...     

Development and progress in acoustic phase-gradient metamaterials for wavefront modulation

Acoustic metamaterials (AMs) for sound wave manipulation have attracted significant attention due to their fascinating functionalities, such as anomalous reflection/refraction, acoustic cloaking, sound absorption, acoustic imaging, etc. The acoustic phase-gradient metamaterials possess the capability of wavefront manipulation, thus, are fundamental to designing these fascinating functionalities. The underlying mechanism is controlling the acoustic responses (the phase and/or amplitude) of the units by varying the parameters so that one can redirect the wavefront in the desired manner. In this article, we review the state-of-the-art on development of phase-gradient metamaterials for wavefront manipulation. The governing principles of the phase-gradient metamaterials for wave control in static and moving media are first introduced. Then, according to the unit type, the phase-gradient metamaterials are roughly classified into three categories: the locally resonant structures, the space-coiling structures and the material-filling structures. Afterwards, three representative functionalities of the gradient metamaterials are reviewed, including acoustic cloaking, sound absorption/isolation and acoustic lens. Finally, the limitations of present metamaterials and possible future directions for development are concluded.     

关于声学超构材料名词术语的探讨

近30年来,声学超构材料领域的理论与技术不断成熟与完善.以增材制造技术、 飞秒激光加工等为代表的各种先进制造技术的发展,为复杂的声学超构材料的数字化设计制造奠定了基础,极大地推动了这类材料的实用化进程.这些发展吸引了学术界和产业界对声学超构材料的极大关注,因此,研讨声学超构材料领域的一些基本术语和概念,以方便学术界、研...     

吸声超材料研究进展

介绍了基于局域共振机理的吸声超材料的基本原理和其负等效质量密度、负等效体积模量和两者"双负"的特点,详细介绍了基于局域共振机理的声子晶体型、薄膜型、声子玻璃型和频率编码型等吸声超材料的结构形式、基本原理和性能特点。还介绍了基于其它吸声机理的超材料的结构特点、吸声原理和最新研究进展。最后,对吸声超材料的未来发展方向进行了展望。     

基于高鲁棒性超声超表面的声束定向发射

基于超薄平面型超声超表面构建了超声束定向发射器件,利用有限元仿真验证了声束定向发射的高效性和采用不同单元结构配置时定向发射效果的高鲁棒性。所设计的超表面器件由结构单元周期性排列而成,在保持结构周期性不变的条件下,尽管结构单元几何形状呈随机分布、或者结构中存在几何缺陷,但仍可有效地保持声束定向发射的良好性能。基于超声超表面的超声束定向发射器件具有结构设计简单、定向准确性高、灵活性强、适用范围广等优点,在工业无损检测、水下探测、医学超声工程等领域具有广泛的应用前景。     

An Acoustic Meta-Skin Insulator

Acoustic metamaterials with artificial microstructures are attractive to realize intriguing functions, including efficient waveguiding, which requires large impedance mismatches to realize total side reflection with negligible transmission and absorption. While large impedance mismatch can be readily realized in an air environment, acoustic waveguiding in an underwater environment remains elusive due to insufficient impedance mismatch of state-of-the-art metamaterials. Here, a superhydrophobic acoustic metasurface of microstructured poly(vinylidene fluoride) membrane, referred to as a “meta-skin” insulator, which is able to confine acoustic waves in an all-angle and wide spectrum range due to tremendous impedance mismatch at stable air/water interfaces, viz., the Cassie–Baxter state is demonstrated. By utilizing the meta-skin insulator with broadband and high throughput, orbital-angular-momentum multiplexing at a high spectral efficiency and binary coding along large-angle bending channels for bit-error-free acoustic data transmission in an underwater environment are demonstrated. Very different from optical and/or electrical cable communications, acoustic waves can be simply and effectively coupled into remote meta-skin acoustic fibers from free space, which is technologically significant for long-haul and anti-interference communication. This work can enlighten many fluidic applications based on efficient waveguiding, such as in vivo ultrasound medical treatment and imaging.