如何高效產(chǎn)生擴散聲場是聲學(xué)領(lǐng)域的重要問題，傳統(tǒng)SD是上世紀(jì)70年代提出的經(jīng)典設(shè)計，通過按照特殊的數(shù)列來設(shè)計各個單元的深度，產(chǎn)生了優(yōu)化可控的漫反射效果。SD目前已經(jīng)成為成熟的商用產(chǎn)品，不僅廣泛應(yīng)用于建筑聲學(xué)及噪聲控制等重要場合，亦被證明有望在粒子操控、醫(yī)學(xué)成像乃至能量收集等問題中發(fā)揮積極作用。
然而，傳統(tǒng)SD具有厚度大（約半個波長）、表面不平整等缺點，例如對于頻率為250Hz的聲波（可聽聲的典型頻率），其厚度將達到70cm左右。這些基本問題在近半個世紀(jì)的時間里始終制約著其在低頻和中頻聲波操控方面的應(yīng)用。
南京大學(xué)物理學(xué)院聲學(xué)研究所、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心程建春教授和梁彬教授課題組提出了利用聲學(xué)超表面構(gòu)建人工施羅德擴散體的理論方法，通過重新審視傳統(tǒng)SD設(shè)計理論，揭示了造成其在器件厚度及幾何外形方面受到制約的根本原因是經(jīng)典聲學(xué)理論認為聲波相位僅能在傳播過程中逐漸累積，因而必須通過改變傳播路徑長度實現(xiàn)表面相位的調(diào)制。
圖1 傳統(tǒng)施羅德擴散體 (左圖) 和超薄人工施羅德擴散體 (右圖) 的結(jié)構(gòu)示意圖
針對這一難題，基于聲學(xué)超表面概念提出了通過激發(fā)局域共振在亞波長尺度內(nèi)產(chǎn)生有限大小的傳播相位突變的思路，突破了經(jīng)典理論的局限。傳統(tǒng)SD及基于聲超表面施羅德擴散體（Metasurface-based Schroeder diffuser, MSD）的結(jié)構(gòu)對比如圖1所示，MSD的單元利用超薄的非經(jīng)典Helmholtz諧振腔構(gòu)建，其厚度僅為傳統(tǒng)SD的1/10。理論推導(dǎo)及數(shù)值模擬都證明了可通過單獨改變頸口寬度來實現(xiàn)其反射相位在2π范圍內(nèi)的連續(xù)操控。
圖2 超薄施羅德擴散體, 傳統(tǒng)施羅德擴散體和平板的遠場散射指向性對比。
圖3 超薄施羅德擴散體, 傳統(tǒng)施羅德擴散體和平板的聲散射場分布對比。上圖為實驗結(jié)果，下圖為模擬結(jié)果。
通過對近場散射聲壓場分布和遠場散射指向性進行數(shù)值模擬及實驗測量（圖2和3），并利用擴散因子來進行定量表征（圖4），證明了基于聲超表面的人工施羅德擴散體具有不亞于商業(yè)產(chǎn)品的聲學(xué)性能，同時展現(xiàn)出尺寸超薄、表面平整、重量輕盈、制備簡單及用料節(jié)省等重要優(yōu)勢。
圖4 優(yōu)化帶寬后的超薄施羅德擴散體 (BMSD) (藍色)和傳統(tǒng)施羅德擴散體 (SD) (黑色) 的歸一化擴散因子對比。左圖和右圖分別為正入射和45度入射情形。
近年來，聲超表面研究盡管已經(jīng)揭示了大量新奇的物理現(xiàn)象，但尚未成功應(yīng)用于解決實際聲學(xué)難題。該工作在聲超表面的基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用之間搭建了橋梁，邁出了其走向?qū)嵱没牡谝徊剑@對于聲超材料研究領(lǐng)域具有重大意義。基于新原理構(gòu)建的超薄擴散體的實現(xiàn)解決了傳統(tǒng)SD長期以來在器件尺寸和幾何形狀方面受到的基本制約，將傳統(tǒng)施羅德擴散體（Schroeder diffuser，SD）的厚度由波長的1/2減小至1/20，有望在建筑聲學(xué)及噪聲控制等領(lǐng)域帶來技術(shù)變革，并產(chǎn)生顯著的社會效益與經(jīng)濟價值。
該項工作得到國家自然科學(xué)基金、南京大學(xué)登峰人才計劃（B類）和江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目的支持。
|
