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www.mgm4858.com概略高校程建春课题组在Appl. Phys. Lett.公布封面文章

最近,南京大学物理学院声学研究所程建春课题组在声学单向传播研究方面取得进展,
最新工作于2015年9月14日作为封面文章(Featured Article)在Appl.
Phys. Lett.
发表 [Appl. Phys. Lett. 107, 113501
]。论文第一作者为博士生朱一凡。共同通信作者是梁彬教授。该工作提出了
“声学单向隧道” (Acoustic one-way
tunnel)的设计思想,首次在一个完全连通的、具有平直形状内壁的通道中实现了声波的单向传输,并成功的制备了原理性器件。

最近,南京大学物理学院声学研究所程建春课题组在声学聚焦研究方面取得进展,
最新工作作为封面文章(Featured Article)在Appl. Phys. Lett.发表[www.mgm4858.com ,Appl.
Phys. Lett. 109, 243501
],论文第一作者是硕士研究生范旭东,通信作者是梁彬教授。该工作提出了二元反射相位(binary
reflected
phases)的设计思想,首次通过一个只包含两种相位的反射表面实现了声能量的汇聚,并成功的制备了原理性器件。

当声波在亚波长尺寸管道中传播时,由于管中存在速度梯度,媒质质点间的粘滞摩擦以及热传导效应会带来声能量的损耗。声能量损耗在实际声学器件中一直存在,有时甚至会严重破坏器件所预想的功效。在前期声人工结构的设计中通常采用较宽的管道等方式来尽量降低结构中的粘滞因子,达到较小甚至可被忽略的能量损耗。我校物理科学与工程学院、上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室李勇研究员,通过与北卡罗来纳州立大学景云教授和杜克大学Steven
A.
Cummer教授等课题组的国际学术合作,经过深入的理论探索和实验研究,在损耗型声学超构表面研究取得突破性进展,提出并实现了声能量非对称传输效应的新方法和新器件。
李勇研究员领导团队,通过引入合适粘滞的逆向设计思路,提出了损耗型声学超构表面的概念,利用3D打印技术制备了损耗型声学超构表面样品,在实验中实现了声能量的非对称传输效应,这种现象源于全新的物理机制:
超表面中的相位调制和周期调制两种机理对损耗因子的不同反馈:当声波做左侧入射时,入射能量可自由通过超表面结构,实现声学导通态,如图1右侧中显示,透射区存在数值较大的声压和声能
分布;当声波从右侧入射到超表面,合理的损耗机制会完全耗散入射能量,形成声学截止态,如图1左侧所示,透射能量可忽略。与之前的相关系统通需要两个不同功能器件相结合的复杂结构对比,基于损耗机理的超构表面具有结构简单、亚波长厚度、平面特性、以及可通过旋转样品调控透射性质等优势。调控损耗可为声学超构材料和超构表面的设计提供了全新的自由度,有望设计实现一系列新的声学现象和声波调控方式。

最近,南京大学物理学院声学研究所程建春课题组在声学涡旋场的研究方面取得进展,
最新工作于2016年5月16日作为封面文章(Featured Article)在Appl. Phys.
Lett. 发表[Appl. Phys. Lett. 108, 203501
]。论文第一作者为博士生江雪,共同通信作者是梁彬教授和新加坡国立大学仇成伟。该工作提出了“宽带稳定的声涡旋场发射器”(Broadband
and stable acoustic vortex
emitter)的设计思想,首次设计出一种宽频带、拓扑数稳定的声涡旋场发射器,并成功地在实验上实现该项设计。

声波的单向操控是近年来的一个研究热点。然而,传统的声学单向传输通常是通过在声路径上放置一层特殊设计的体材料(例如声子晶体、声栅格或其他声学超构材料)来实现。这将不可避免的导致声路径受到部分或完全的阻塞,造成背景媒质的间断。若能在实现声学单向传输的同时允许其它物体(如背景媒质或其他能量流)通过,达到通风或可视的特殊效果,不仅对声单向操控的研究领域有着重要科学意义,更将具有广阔的应用前景。

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为解决传统设计中声路径受到阻塞的难题,课题组采用了一种全新的物理机制,巧妙地在通道内壁上敷设了声学超常表面,利用其特殊的反射特性对通道中声波的路径产生了不对称的操控。超表面是近年来新出现的光学/声学元件,通过引入相位和振幅的突变,可实现对光波/声波的丰富操控方式。本设计中采用了课题组先前提出的一种具有简单构造方式及高分辨率的声学超表面结构[Sci.
Rep. 5, 10966
],通过在平面下设计一系列深度受到调制的亚波长单元来实现表面相位的精确调控。声学单向隧道一侧的壁面上包含两种不同梯度的超表面组合,可对沿两个方向正入射的平面声波实现非对称的异常反射,其路径可以利用解析方法来定量分析。通过对结构参数进行适当设计,可在该声学隧道中实现正向入射声波可以穿透、而反向入射声波基本被反射的单向效果。

图一

图1 损耗型声学超构表面的声能量非对称传输效应

图1 2016年5月16日Appl. Phys. Lett.周刊封面。

图1声学单向隧道示意图利用超表面实现非对称传播的原理示意

声能量的空间汇聚是声学研究领域的一个重要问题。然而,传统的声学聚焦方法通常需要将材料制成特殊的几何形状,或利用大量复杂的人工结构来产生连续变化的等效参数,这将带来结构复杂、相位分辨率及工作带宽受限等问题,限制了其在实际中产生应用的潜力。如何利用简单的结构实现宽带的声能量的汇聚,不仅是一个重要的科学问题,更具有显著的应用价值。

最新研究成果”Tunable Asymmetric Transmission via Lossy Acoustic
Metasurfaces”于2017年7月18日发表在物理学科国际顶级期刊Physical Review
Letters [Phys. Rev. Lett. 119, 035501
(2017)]。李勇研究员是论文第一作者,同济大学是论文的第一单位,杜克大学沈宸博士是论文的共同第一作者。该项工作得到同济大学“青年百人计划”科研启动项目的支持。

对携带轨道角动量、具有螺旋相位分布的声涡旋场的研究,是相关领域的一个研究热点。然而,已有研究中,声涡旋场发射器主要基于利用大量的换能器构成声学阵列、或利用厚度呈螺旋分布的结构。通过繁杂的电路独立控制每个单元的相位延迟,将带来巨大的成本和复杂的操作过程,而单元固有的几何尺寸也限制其在高频范围的应用。利用螺旋分布厚度的原理仅能设计对单一频率有效的涡旋场发射器。同时,由于螺旋状几何厚度的固有限制,使其不能在入射/出射端同时具有平面形状。而平面状、小体积的特点在实际中具有重要价值。此外,已有研究中产生的声涡旋场,仅能够在很短的传播距离内保持拓扑数稳定。

图2为数值模拟和实验测量结果的对比,可以看出所设计的声学通道可以对两个相反方向入射的声波实现高效的单向操控,验证了上述设计思想的正确性。这种声学概念性器件为声学单向器件的设计带来了新的可能性,有望在管道噪声控制、隔声窗设计及建筑声学等重要场合产生广泛应用。

为解决上述问题,该工作中提出了了一种声波聚焦的新机制,仅采用两种具有不同相位延迟的基本单元,在理论上严格证明了通过调制不同单元的排列方式,即可在实现声能量在三维空间的高效汇聚,并在实验中产生了单焦点聚焦及三维声针(acoustic
needle)这两种典型聚焦效果,展现了其设计制备简单、相位分辨率高、外形平整及工作频带宽等重要特性。图2展示了一种采用商用的玻璃试管、通过手工装配得到的简单样品,图3为数值模拟和实验测量结果的对比图。由图可看出,尽管该实验样品构造简单且存在肉眼可见的装配误差,仍可精确高效地将入射声波能量聚集至预设的空间位置。

为解决传统设计中的难题,课题组采用了一种全新的物理机制,巧妙地利用结构对声波的衍射作用,设计一种由亚波长螺旋裂缝耦合形成的平面型声涡旋场发射器,并首次在理论和实验中在宽频范围内产生拓扑数稳定的声涡旋场。该声涡旋场发射器的设计具有很大的灵活性,能够通过调整螺旋形裂缝的数目控制涡旋场的拓扑数。此外,该涡旋场发射器的材料选择广泛,结构简单,极大降低了设计与制备的难度,为在宽频范围内产生拓扑数稳定的声涡旋场提供了崭新的设计可能性,不仅对声涡旋场的研究领域有着重要科学意义,更将具有广阔的应用前景。

图2数值模拟和实验结果:正向和反向的声压场分布

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该项工作得到国家重大科学研究计划、人工微结构科学与技术协同创新中心、国家自然科学基金等重大科研项目的支持。

图二

图2不同拓扑数的声涡旋场发射器原理示意图、声场相位分布图及声强分布图。

(物理学院 程建春 科学技术处)

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图三

图3 不同频率及不同传播距离上声涡旋场相位分布的实验、仿真对比图。

这一设计理论并未限定两种基本单元具体的结构及尺寸,因而具有很大的灵活性与鲁棒性。其材料选择广泛,可利用简单、紧凑的声学结构加以实现,在极大降低设计与制备难度的同时,保证了深亚波长尺度的相位分辨率,并且可以在极宽的频率范围内工作。该研究成果开辟了声波聚焦的新思路,有望在超声诊断与治疗以及无损检测等重要场合产生广泛应用。

图2为具有不同拓扑数的声涡旋场发射器的原理示意图,以及所产生的涡旋场的相位、声强分布图。图3为不同频率及不同传播距离上涡旋场相位分布的实验、仿真结果对比图,显示该设计能够在宽频带、长距离内产生拓扑数稳定的声涡旋场,且其拓扑数可灵活控制。

该工作得到科技部重大研究计划、国家自然科学基金以及南京大学登峰人才计划的支持。

该项工作得到国家重大科学研究计划、人工微结构科学与技术协同创新中心、国家自然科学基金等重大科研项目的支持。

(物理学院 科学技术处)

(物理学院 科学技术处)

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