文章來源：維也納聲學(xué) 時間：2024-09-24
同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所李勇研究員課題組和北卡州立大學(xué)景云副教授課題組合作在非厄米聲學(xué)超構(gòu)表面領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，利用梯度折射率功能基元及其中粘滯損耗效應(yīng)構(gòu)造了非厄米聲學(xué)超構(gòu)表面系統(tǒng)，并在奇異點(diǎn)(Exceptional Point)處實(shí)現(xiàn)了非對稱聲反射鏡。相關(guān)研究成果于2019年11月22日以“Extremely asymmetrical acoustic metasurface mirror at the exceptional point”為題發(fā)表于物理評論快報（Physical Review Letters）第123卷第21期上 [Phys. Rev. Lett. 123, 214302 (2019)]。同濟(jì)聲學(xué)所王旭副教授和17級直博生房鑫盛為共同第一作者，景云副教授和李勇研究員為論文共同通訊作者，毛東興教授作出了重要貢獻(xiàn)。
聲學(xué)超構(gòu)表面是由聲學(xué)功能基元按照特定序列構(gòu)成的超薄平面結(jié)構(gòu)，由于其對聲波的靈活調(diào)控能力，在聲場調(diào)控、噪聲控制等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。常規(guī)聲學(xué)超構(gòu)表面通常被認(rèn)為是無損系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)功能基元的等效折射率實(shí)部來實(shí)現(xiàn)聲場操控。值得注意的是，聲波系統(tǒng)有別于電磁波系統(tǒng)，由于邊界層的存在，聲學(xué)系統(tǒng)中的損耗效應(yīng)是自然存在的，當(dāng)功能基元處于亞波長尺度時，基元中的損耗效應(yīng)不可忽略，并可能嚴(yán)重破壞器件功能。為了減少損耗對聲學(xué)超構(gòu)表面功能的影響，通常做法是通過設(shè)計(jì)尺寸較大的功能基元來盡可能規(guī)避損耗效應(yīng)，但這也成為限制聲學(xué)器件進(jìn)一步微型化的技術(shù)瓶頸。
在該工作中，研究者們反其道而行，不再嘗試去規(guī)避基元中的損耗效應(yīng)，而是積極利用并精細(xì)調(diào)控基元中的損耗效應(yīng)，以期實(shí)現(xiàn)無損系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的奇異聲場調(diào)控現(xiàn)象。研究者們首先構(gòu)建了一個具有梯度相位的無損聲學(xué)超構(gòu)表面，然后對其中某一功能基元引入損耗，進(jìn)而構(gòu)造了二通道非厄米聲學(xué)超構(gòu)表面系統(tǒng)[圖1]。通過調(diào)節(jié)超構(gòu)表面的相位梯度偏置及基元的損耗，可以實(shí)現(xiàn)超構(gòu)表面散射矩陣本征值及本征矢量的簡并，達(dá)到該非厄米系統(tǒng)的奇異點(diǎn)[圖2]。有趣的是，當(dāng)系統(tǒng)處于奇異點(diǎn)時，聲學(xué)超構(gòu)表面可實(shí)現(xiàn)極度的非對稱聲反射鏡：左斜入射的聲波被幾乎完全吸收（反射系數(shù)約等于0），而右斜入射聲波被幾乎全部沿原路徑反射回去（nearly total retro-reflection），其反射系數(shù)高達(dá)0.973[圖3]。研究者們進(jìn)一步從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了聲非對稱反射現(xiàn)象[圖4]，當(dāng)聲波從右側(cè)入射時，逆反射現(xiàn)象十分明顯[圖4(c)]，但當(dāng)聲波以相同角度從左側(cè)入射時，聲波能量幾乎被全部吸收[圖4(d)]。
該工作一方面將非厄米系統(tǒng)的研究拓展到了二維聲學(xué)結(jié)構(gòu)上，使得聲學(xué)超構(gòu)表面成為研究非厄米系統(tǒng)物理特性的重要平臺；另一方面通過精細(xì)調(diào)控功能基元中損耗效應(yīng)為聲波操控提供了額外的自由度，有助于實(shí)現(xiàn)一系列新奇聲學(xué)現(xiàn)象以及設(shè)計(jì)新原理聲學(xué)器件。
該項(xiàng)工作得到國家自然科學(xué)基金、中科協(xié)青年人才托舉工程、上海市科委的支持。
圖1 非厄米聲學(xué)超構(gòu)表面示意圖,在奇異點(diǎn)處可實(shí)現(xiàn)極度非對稱反射。
圖2
(a)散射矩陣本征值隨損耗的變化軌跡。
(b)反射系數(shù)幅值和
(c)相位隨損耗變化的示意圖。
圖3
上下行分別展示了聲波左入射和右入射時聲壓的理論分布情況，從左到右分別為：入射場、總散射場、逆反射場和鏡面反射場。
圖4
(a)超構(gòu)表面樣品示意圖。左圖為樣品的底部構(gòu)造，右上圖表示帶有狹縫的凹槽由吸聲棉附著，右下為樣品一個周期的俯視圖。
(b)實(shí)驗(yàn)平臺示意圖。
(c)理論和實(shí)驗(yàn)上超構(gòu)表面在奇異點(diǎn)處的散射場示意圖。底部四個圖形顯示了聲壓沿著圖中虛線的分布情況。
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