11054 动能材科 2017年第11期(48)卷 文章编号：1001-9731(2017111-11054-06 声学超表面研究及应用进展 许卫锴，张蒙，王伟 (1.沈阳航空航天大学航空航天工程学部，沈阳110136：2，沈阳建筑大学土木工程学院，沈阳110168) 要 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。闸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，对于被控结构的设计与制备实现 具有指导意义。 关键词：声学超表面；声波调控；广义斯涅尔定律；人工微结构超材料 中图分类号：0422.3：TB34 文献标识码：AD01:10.3969/i.issn.1001一9731.2017.11.009 0引言 面具有设计灵活、物理内活丰富等诸多优点，从而成为 声波调控的研究热点。下面将从几个方面介绍当前声 人工微结构韬材料作为一种新领的材料设计理 学韬表面的研究讲展。 念，已经为越来截多的学者所关注。它的出现使得人 们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获 1广义斯涅尔定律 得与自然界中的物质具有然 不同的超常物理性质的 众所周知，波在入射到不同介质的界面时满足斯 “新物质”，迄今为止，发展出的人了 材料 ,考虑2个半无 个质的单 质相联 由折射 为，的介质 折 微结 域也具有非常 阔的应用前景。例如，美国国防部 定， 2013一2017年科技发展“五年计划”中将其列为重点 关注的六大覆性基础研究领域之一：此外，《Science》 杂志也分别在2003年和2006年评选此人工材料为 十大科学进展”。 近年来，声子品体和声学超材料得到了飞速的发 展。与光子品体和电磁超材料类似-网，声子品体和声 学超材斜可以极大地拓展人们对声波的调控毛段，加 异常反射/透射现象、聚焦与成像、特殊声束产生，以及 声波的隐身、吸收、伪装等等。然而，对于常见的超 材料来说，需要有一定数量的周期排布来实现其特殊 功能，且有体积大、成本高，带窄、损耗大等缺，并 且难以集成。这使得超材料的轻薄化设计成为迫切地 图1广义折射与反射示意图 需求 Fig 1 Generalized refraction and reflection from a flat 声学超表面( interface[s] coustic 波控功能结构 根据惠更断原理，下一时刻的波阵面是当前时刻 学超材料的研 ,与传统人工变折射率材料的调 波阵面上每一点作为波源时产生的包络面，因此，如果 控机理不同，其本质是 个具有亚波长尺寸的微结构 界雨上有相位梯度存在，则入射波经由界面上相邻的 声相控阵对声波的波阵面进行调控。这使得声学超表 点发生折射的相位差可以为0，如图2所示。此时有 [kn:sin(0.)dx+(Φ+dΦ)]-[kn,sin(0.)dx+Φ]=0 (1) 式中，k。为真空中的波数。于是广义SneI定律 可以表示为[ 1994 2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
文章编号：１００１－９７３１（２０１７）１１－１１０５４－０６ 声学超表面研究及应用进展＊ 许卫锴１，张 蒙１，王 伟２ （１．沈阳航空航天大学 航空航天工程学部，沈阳 １１０１３６；２．沈阳建筑大学 土木工程学院，沈阳 １１０１６８） 摘 要： 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。 关键词： 声学超表面；声波调控；广义斯涅尔定律；人工微结构超材料 中图分类号： Ｏ４２２．３；ＴＢ３４ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－９７３１．２０１７．１１．００９ ０ 引 言 人工微结构超材料作为一种新颖的材料设计理 念，已经为越来越多的学者所关注。它 的 出 现 使 得 人 们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人 工 获 得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的 “新物质”。迄今为止，发展出的人工微结构超 材 料 多 与电、磁、光、声等性质相联系，为信息元件的新突破提 供了一个新契机。同时，人工微结构超 材 料 在 军 事 领 域也具有非常广阔的应用前景。例 如，美 国 国 防 部 ２０１３～２０１７年科 技 发 展“五 年 计 划”中 将 其 列 为 重 点 关注的六大颠覆性基础研究领域之一；此外，《Ｓｃｉｅｎｃｅ》 杂志也分别 在 ２００３ 年 和 ２００６ 年评选此人工材料为 “十大科学进展”。 近年来，声子晶体和声学超材料得到了飞速的发 展。与光子晶体和电磁超材料类似［１－２］，声子晶体和声 学超材料可以极大地拓展人们对声波的调控手段，如 异常反射／透射现象、聚焦与成像、特殊声束产生，以及 声波的隐身、吸收、伪装等等［３－５］。然而，对于常见的超 材料来说，需要有一定数量的周期排布来实现 其 特 殊 功能，具有体积大、成本高、带 宽 窄、损 耗 大 等 缺 点，并 且难以集成。这使得超材料的轻薄化设计成为迫切地 需求。 声学超 表 面（ａｃｏｕｓｔｉｃｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ）的 提 出 即 是 波控功能结构追求轻薄化设计的产物，是最近 几 年 声 学超材料的研究分支。与传统人工变折射率材料的调 控机理不同，其本质是一个具有亚波长尺寸的 微 结 构 声相控阵对声波的波阵面进行调控。这使得声学超表 面具有设计灵活、物理内涵丰富等诸多优点，从而成为 声波调控的研究热点。下面将从几个方面介绍当前声 学超表面的研究进展。 １ 广义斯涅尔定律 众所周知，波在入射到不同介质的界面时满足斯 涅尔定律。如图１所示，考虑２个半无限大介质的单 界面问题，声 波 由 折 射 率 为ｎｉ 的 介 质 向 折 射 率 为ｎｔ 的介质入射，反射角θｒ 和折射角θｔ 可由 Ｓｎｅｌｌ定律确 定［６］。 图１ 广义折射与反射示意图［６］ Ｆｉｇ１Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｒｅｆｒａｃｔｉｏｎａｎｄｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｆｒｏｍａｆｌａｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ［６］ 根据惠更斯原理，下一时刻的波阵面是当前时刻 波阵面上每一点作为波源时产生的包络面，因此，如果 界面上有相位梯度存在，则入射波经由界面上相邻的 点发生折射的相位差可以为０，如图２所示。此时有 ｋｏｎｉｓｉｎ（ ） θｉ ｄｘ＋ （ ）［ ］ Φ＋ｄΦ － ［ ］ ｋｏｎｔｓｉｎ（ ） θｔ ｄｘ＋Φ ＝０ （１） 式中，ｋｏ 为 真 空 中 的 波 数。于 是 广 义 Ｓｎｅｌｌ定 律 可以表示为［７］ ４５０１１ ２０１７年第１１期（４８）卷 ＊ 基金项目：国家自然科学青年基金资助项目（１１３０２１３５，５１３０８３５７）；辽宁省自然科学基金资助项目（２０１６０２５７２，２０１６０２６２７）；辽 宁省高等学校优秀人才支持计划资助项目（ＬＪＱ２０１４０１９，ＬＪＱ２０１５０９１） 收到初稿日期：２０１７－０４－１７ 收到修改稿日期：２０１７－０８－２０ 通讯作者：许卫锴，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｋｘｕ＠ｓａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 作者简介：许卫锴 （１９７９－），男，山东淄博人，副教授，博士，主要从事超材料的优化设计研究
许卫等：声学超表面研究及应用进展 (2) 学超表面，实现了声波聚焦功能四。Qu等人则设计 一款超薄的超表面，观察到了异常的折射现象四 (3) 从上式可以看出，相位梯度d中/dx的存在可以改 变反射波和折射波的方向，如反射波和入射波不再关 于法线对称折射波和入射波也不 产生异反射/折射现象 两侧 因此 界面上的声波相位梯度，可以产生 个0一2x的相移 阶梯，从而达到调制散射声场波阵面的目的。 E55 图3空间折叠结构超表面[1的 Fig 3 Acoustic metasurfaces based on the labyrinthine structure] 然而，空间折叠结构往往具有阻抗失配的缺点 这意味着在设计超表面的时候除了要考虑相移，还需 要进行阻抗匹配。W等从理论上对此何题进行 研究 利用3D打印技术制备 声学超表面 通过设计锥形或螺形 通道，可以大大改进超表面的阻抗匹配。图4显示 螺旋迷宫型超表面的样品（右下），实验（右上）和仿直 (左图)结果都展现出负折射现象。利用这一特性， Cummer课题组还设计了衍射的声学透镜a)。 图2广义折射定律推导示意图可 2.2随膜结构型超表面 Fig 2 Schematics used to derive the generalized Snells 德膜结构的谐振特性使其在声学超材料的研究中 law of refraction 得到了广泛地发展。例如，利用薄膜结构的谐振和反 谐振，可以得到全透射和全反射的结果：利用 2声学超表面的研究与应用 耦合的薄膜结构可以实现声波的负折射[阿。Ma等 进 步将混 芦次提出也是在光学领域四. 作为另 设计 振的概 声波同样满足Snll定律，但其难点在于设计出合理的 置在全反射表面之上并用密封的六氟化硫气层隔离 相位梯度的声学超表而。目前主要通过做结构的设 如图5所示。由于六氟化硫具有非常小的绝热指数 调整来实现相位差，在此基础上，大量的声学超表面得 并且密封气层的厚度要远小于入射波长，因此薄膜诺 到了研究和实现。 振结构在振动时，该气层可视为在进行绝热的压缩和 2.1空间折叠/卷绕结构型超表面 扩张，并为此系统增加额外的阻抗，进面影响系统总体 研究发现，空间折叠结构具有极高的折射率) 的格林函数。由此将产生一个新的混合诺振颖率来代 因此能够使得投射到该结构上的入射波发生较大的延 替原德票系统的2个低阶谐振频率，不阳实现了阻描 迟并沿若曲折的路径传递。基于这一特点，南京大学 方面，对于单 声学所程建春课题组于2013年提出 由8个空间 折叠腔组成的超表面，通过选取折叠结 谐 域会 的几何参 生附加阻抗 相位差基 实现0 ~2x的离散相移 ·从而得到了异常反射 此原理，Zhai等 设计 了双薄膜超表面结构，如图 现象。这一结果随后即被该课题组实验证实 所示。灰色区域为刚性墙，而薄膜的尺寸由希望获传 图3显示了超表面的构型以及8个单元腔的压力条 的相位梯度来决定。将此双膜结构的工作频奉调整在 红色的峰值表明声压场沿着超表面依次产生相移。随 结构共振频率附近，从而具有较高的透射率。Lami 后，该课题组对声学超表面进行了大量的研究1切 等的用薄膜结构和刚性平面组成的超表面，可用于传 此外，南京大学的陈延峰和卢明辉研究了基于声学髂 感器和亚波长成像。此外，薄膜结构的一个巨大的优 的超表面相位调制性能，设计了含有多个声学腔的声 势是其谐振顿率的可调整性，因此基于薄膜结构的可 1994-2018 China Academie Joural Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
ｓｉｎ（ ） θｒ －ｓｉｎ（ ） θｉ ＝ λｏ ２πｎｉ ｄΦ ｄｘ （２） ｓｉｎ（ ）θｔ ｎｔ －ｓｉｎ（ ）θｉ ｎｉ＝λｏ ２π ｄΦ ｄｘ （３） 从上式可以看出，相位梯度ｄΦ／ｄｘ 的存在可以改 变反射波和折射波的方向，如反射波和入射波 不 再 关 于法线对称，折射波和入射波也不一定在法线两侧，即 产生异常反射／折射现象。因此，利用超表面结构改变 界面上的声波相位梯度，可以产生一个０～２π 的相移 阶梯，从而达到调制散射声场波阵面的目的。 图２ 广义折射定律推导示意图［７］ Ｆｉｇ２ＳｃｈｅｍａｔｉｃｓｕｓｅｄｔｏｄｅｒｉｖｅｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＳｎｅｌｌｓ ＇ｌａｗｏｆｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ［７］ ２ 声学超表面的研究与应用 与超材料首先在电磁波领 域 实 现 类 似，超 表 面 的 首次提出也是在光学 领 域［７］。作 为 另 一 种 经 典 的 波， 声波同样满足Ｓｎｅｌｌ定律，但其难点在于设计出合理的 相位梯度的声学超表面。目前主要通过微结构的设计 调整来实现相位差，在此基础上，大量的声学超表面得 到了研究和实现。 ２．１ 空间折叠／卷绕结构型超表面 研究发现，空间折叠结构具有极高的折射率［８－９］， 因此能够使得投射到该结构上的入射波发生较大的延 迟并沿着曲折的路径传递。基于这一 特 点，南 京 大 学 声学所程建春课题组于２０１３年提出一 种 由８个 空 间 折叠腔组成的超表面，通过选取折叠结构的几何参数， 可以实现０～２π的离散相移，从而得到了异常反射的 现象［１０］。这一结果随后即被该课题组实验证实［１１］。 图３显示了超表面的构型以及８个单元腔的压力条。 红色的峰值表明声压场沿着超表面依次产生相移。随 后，该课题 组 对 声 学 超 表 面 进 行 了 大 量 的 研 究［１２－１７］。 此外，南京大学的陈延峰和卢明辉研究了基于 声 学 腔 的超表面相位调制性能，设计了含有多个声学 腔 的 声 学超表面，实现了声波聚焦功能［１８］。Ｑｉｕ等人则 设 计 了一款超薄的超表面，观察到了异常的折射现象［１９］。 图３ 空间折叠结构超表面［１０］ Ｆｉｇ３Ａｃｏｕｓｔｉｃｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｌａｂｙｒｉｎｔｈｉｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［１０］ 然 而，空间折叠结构往往具有阻抗失配的缺点。 这意味着在设计超表面的时候除了要考虑相 移，还 需 要进行阻抗匹配。Ｗｕ等［２０－２１］从理论上对此问题进行 了研究。Ｃｕｍｍｅｒ等［２２－２３］利用３Ｄ 打印技术制 备 出 了 若干迷宫型的声学超表面，通过设计锥形或螺旋形的 通道，可以大大改进超表面的阻抗匹 配。图４显 示 了 螺旋迷宫型超表面的样品（右下），实验（右上）和仿真 （左图）结果都展现出负折射现象。利 用 这 一 特 性， Ｃｕｍｍｅｒ课题组还设计了衍射的声学透镜［２４］。 ２．２ 薄膜结构型超表面 薄膜结构的谐振特性使其在声学超材料的研究中 得到了广泛地发展。例如，利用薄膜结构的谐振和反 谐振，可以得到全透射［２５－２６］和全反射［２７－２８］的结果；利用 耦合的薄膜结构可以实现声波的负折射［２９］。Ｍａ等 人［３０］进一步将 混 合 谐 振 的 概 念 引 入 到 声 学 超 表 面 的 设计：将弹性薄膜和质量圆片组成的薄膜谐振结构放 置在全反射表面之上并用密封的六氟化硫气层隔离， 如图５所示。由于六氟化硫具有非常小的绝热指数， 并且密封气层的厚度要远小于入射波长，因此 薄 膜 谐 振结构在振动时，该气层可视为在进行绝热的压缩和 扩张，并为此系统增加额外的阻抗，进而影响系统总体 的格林函数。由此将产生一个新的混合谐振频率来代 替原薄膜系统的２个低阶谐振频率，不但实现 了 阻 抗 匹配，而且实现了声波的完美吸收；另 一 方 面，对 于 单 层薄膜结构来说，当发生振动时，在其谐振区域会对声 场产生附加阻抗，从而造成薄膜两侧产生相位差，基于 此原理，Ｚｈａｉ等［３１］设 计 了 双 薄 膜 超 表 面 结 构，如 图 ６ 所示。灰色区域为刚性墙，而薄膜的尺寸由希望获得 的相位梯度来决定。将此双膜结构的工作频率调整在 结构 共 振 频 率 附 近，从而具有较高 的透射率。Ｌａｎｉ 等［３２］用薄膜结构和刚性平面组成的超表面，可用于传 感器和亚波长成像。此外，薄膜结构的一个巨大的优 势是其谐振频率的可调整性，因此基于薄膜结 构 的 可 许卫锴 等：声学超表面研究及应用进展 ５５０１１
材科 2017年第11期(48)卷 超表面及负新射现象 Fig 4 Tapered labyrinthine acoustic metasurface and negative refraction Sealed aa 图5超表面单胞的结构和谐振特征示意图 Fig 5 Geometry and resonance characteristics of the metasurfaces unit cellt Transmitted waves coustic rigid wal 250 0.4 0.0 间)传输相位及白一化振细 图。双薄膜超表面单胞示意图和传输相位及归一化振幅创 Fig 6 Schematic drawing of subunit consists of a rectangle cavity filled with air and two tensioned elastic mem branes fixed on both ends of the cavity and the transmission phases (red circles)and normalized ampli- tudes (blue dots)of sound waves 2.3其它超表面研究 得到了越来越多的关注。新加坡国立大学Cheng-We 除了上状2种超表而，其它类型的声学韬表面也 Qu课题组提出利用压电换能器米实现主动式的超表 994-2018 China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/www.enki.e
调谐超表面也得到了广泛地研究［３３－３５］。 图４ 迷宫型超表面及负折射现象［２３］ Ｆｉｇ４Ｔａｐｅｒｅｄｌａｂｙｒｉｎｔｈｉｎｅａｃｏｕｓｔｉｃｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅａｎｄｎｅｇａｔｉｖｅｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ［２３］ 图５ 超表面单胞的结构和谐振特征示意图［３０］ Ｆｉｇ５Ｇｅｏｍｅｔｒｙａｎｄｒｅｓｏｎａｎｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ＇ｓｕｎｉｔｃｅｌｌ［３０］ 图６ 双薄膜超表面单胞示意图和传输相位及归一化振幅［３１］ Ｆｉｇ６Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｒａｗｉｎｇｏｆｓｕｂｕｎｉｔｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆａｒｅｃｔａｎｇｌｅｃａｖｉｔｙｆｉｌｌｅｄｗｉｔｈａｉｒａｎｄｔｗｏｔｅｎｓｉｏｎｅｄｅｌａｓｔｉｃｍｅｍ－ ｂｒａｎｅｓｆｉｘｅｄｏｎｂｏｔｈｅｎｄｓｏｆｔｈｅｃａｖｉｔｙａｎｄｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｈａｓｅｓ（ｒｅｄｃｉｒｃｌｅｓ）ａｎｄｎｏｒｍａｌｉｚｅｄａｍｐｌｉ－ ｔｕｄｅｓ（ｂｌｕｅｄｏｔｓ）ｏｆｓｏｕｎｄｗａｖｅｓ［３１］ ２．３ 其它超表面研究 除了上述２种超表面，其它 类 型 的 声 学 超 表 面 也 得到了越来越多的关注。新加坡国立大学 Ｃｈｅｎｇ－Ｗｅｉ Ｑｉｕ课题组提出利用压电换能器来实现主动式的超表 ６５０１１ ２０１７年第１１期（４８）卷
许卫锴等：声学超表面研究及应用进 ,在PZT-5H压电环之间用刚性层填 的开口谐振环，声学开口球型谐振腔也可以实现声波 充，通过调整压电材料的尺寸及电压，可以优化声波的 的反射相位调制.Chen和Li3利用可编程超 聚焦性能可。 g等发现，类似于电磁波超材 表面以实现宽缬带或多频带的超表面，如图8所示 Far-field effects PZT-5H rin Stnuctural B.c. l B.C 间压电两环的面视图 图7主动式超表面示意图和压电圆环的横截面视图) Fig 7 Schematics of the configurable planar metasurface PT prototype and the B.C.s of each piezoelectric ring observed from the radial cross-sectional view a 图8 可编程超表面示意图a Fig 8 The schematic of the planar coding metasurface composed of squared coding element"0and"1 超表面可由二进制位元“0”和“1”组成，且“0”和 被提出，研究范围也随之不断地廷伸 “1”具有类似的内部结构，声波由材料下表面的开口 进入，最终从上表面的开口射出，则传播的路径不同将 3结语 导致声波透射后的相位不同。由此，调整上下表面的 声学超表面的出现开创了声波调控的新途径，使 开口位置可以达到调控频带的目的，Hu等)设计出 当前的控波技术实现了巨大地飞跃。其优势在于突破 一个单端口的声学超表面，可以在低频范围实现完美 了传统块体超材料的思想束缚，利用单层或双层结构 吸收。Boutin[]则把超表面引入到弹性波领域。Zhu 实现声波的相位、振幅、阻抗等方面的调控，克服了块 等[四设计出一种类似椭圆锥形状的超表面，可以产生 体超材料体积大、成本高、带宽窄、损耗大等缺点。声 异常后时Z0山和H)设计了种柔性的声学活 学超表面的轻薄化特性使得其利用现有技术更容易制 镜，即使入射镜头平面发生弯曲变形，成像也非常稳 备，因此具有广阔的应用前最。介绍了目前声学超表 定，这将为超表面的设计提供思路。此外，将不同超表 面的研究进展，对这一领域研究工作的进一步开展具 面组合从而达到控波目的的研究也己经开展4)，总 有一定的意义 之，声学超表面已成为研究的热点，新型吸波结构不断 然而，现有的声学超表面仍然存在这样或那样的 1994-2018 China Academie Journal Ele etronic Publishing House All rights reserved.http://www.enki.ne
面，如图７所 示，在 ＰＺＴ－５Ｈ 压 电 环 之 间 用 刚 性 层 填 充，通过调整压电材料的尺寸及电压，可以优化声波的 聚焦性能［３６－３７］。Ｄｉｎｇ等［３８］发现，类似于电磁波超材料 的开口谐振环，声学开口球型谐振腔也可以实现声波 的反射相位 调 制。Ｃｈｅｎ和 Ｌｉｕ等［３９－４０］利 用 可 编 程 超 表面以实现宽频带或多频带的超表面，如图８所示。 图７ 主动式超表面示意图和压电圆环的横截面视图［３７］ Ｆｉｇ７ＳｃｈｅｍａｔｉｃｓｏｆｔｈｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅｐｌａｎａｒｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅＰＴｐｒｏｔｏｔｙｐｅａｎｄｔｈｅＢ．Ｃ．ｓｏｆｅａｃｈｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｒｉｎｇ ｏｂｓｅｒｖｅｄｆｒｏｍｔｈｅｒａｄｉａｌｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌｖｉｅｗ［３７］ 图８ 可编程超表面示意图［３９］ Ｆｉｇ８Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｐｌａｎａｒｃｏｄｉｎｇｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｓｑｕａｒｅｄｃｏｄｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔ“０”ａｎｄ“１”［３９］ 超表面可由 二 进 制 位 元“０”和“１”组 成，且“０”和 “１”具有类似的内部结构。声波由材料下表面的开口 进入，最终从上表面的开口射出，则传播的路径不同将 导致声波透射后的相位不同。由此，调 整 上 下 表 面 的 开口位置可以达到调控频带的目的。Ｈｕ等［４１］设计出 一个单端口的声学超表面，可以在低频范围实 现 完 美 吸收。Ｂｏｕｔｉｎ［４２］则把超表面引入到弹性波领域。Ｚｈｕ 等［４３］设计出一种类似椭圆锥形状的超表面，可以产生 异常反射。Ｚｈｏｕ和 Ｈｕ［４４］设计了一种柔性的声学透 镜，即 使 入 射 镜 头 平 面 发 生 弯 曲 变 形，成 像 也 非 常 稳 定，这将为超表面的设计提供思路。此外，将不同超表 面组合从而达到控波目的的研究 也 已 经 开 展［４５－４７］，总 之，声学超表面已成为研究的热点，新型吸波结构不断 被提出，研究范围也随之不断地延伸。 ３ 结 语 声学超表面的出现开创了声波调控的新途 径，使 当前的控波技术实现了巨大地飞跃。其优势在于突破 了传统块体超材料的思想束缚，利用单层或双 层 结 构 实现声波的相位、振幅、阻抗等方面的 调 控，克 服 了 块 体超材料体积大、成本高、带 宽 窄、损 耗 大 等 缺 点。声 学超表面的轻薄化特性使得其利用现有技术更容易制 备，因此具有广阔的应用前景。介绍了目前声学超表 面的研究进展，对这一领域研究工作的进一步开展具 有一定的意义。 然而，现有的声学超表面仍然存在这样或那样的 许卫锴 等：声学超表面研究及应用进展 ７５０１１
结构进行分 向的 改进其 或者通过现 面的 ,实现特 e「11.SReb.2013.3.2546 的有效匹配来控制波的传播。这种材料设计的方法具 [11]Li Y.Jiang X.LiRQ.et al.Experimental realization of 有试陵的性质 ,对经验的依赖性强，使得获得这种性园 Re 的材料具有偶然性，因此难以满足人们对特定性能的 12 实际需求：另一方面，目前大多数声学超表面仍然存在 工作频素较窄且易呈现出不连续的多频带特性。如何 t,2014,5 解决这些瓶项难题，将是声学招表面研制的重要课题 10966. 总而言之，目前声学超表面的研究还主要停留在 [13]Zhu Y F.Zou X Y.Liang B.et al Broadband unidire 理论研究和实验阶段，距离具体的应用还有很漫长的 tional transmission of sound in unblocked channel 路要走。可以看到，声学超表面会向着低损耗、宽频 Applied Physics Letters.2015.106(17):104301 带可调控、易加工的方向发展，并将创新研究与工得 [14 Zhu Y F.Zou X Y.Liang B.et a 实际需求紧 密结合，螺日前 工程技术中 题，如隔 声波隐身 望未来， .2015.107110:104301. [15] 学超表面的研究仍将是科学与工程交叉的重要课题， metasurfaces.asymmetric phase modulation of sound by 参考文献： ubwavelength laverI]Scientific Reports.2016.6. 8023 [1]Huang Xi Fu Qu ng hang Fuli. [16] Jiang Xu Li Yong.Liang Bin.etal The manipulatior 黄新朝。付全红，张高利.超表面研究进感1门航空兵 1i2015246112-10/i 2016.1,28-34 江雪，李勇，梁彬，等，基于超表面的声波操招 [2]Xu Weikai.Lu Shaowei.Ma Keming.et al.Research and 「11.声学5术，2015.34(6).17-19 application progress in the field of stealth based on meta [17] Zhu Yifan.Fan Xiaodong.Liang Bin.et al.Acousti materials[J].Journal of Functional Materials.2014.4 one-way chanr el based on metasurfaces[]Technical 等。超材料 及应用进展功能材料， 身领的所究 基于超表面的单向声 Chen H Y.Chan CT.Sheng p t18 transformation acoustics[J J Phys D:Appl Phys tic metamaterials [D].Nanjing:Nanjing University 2010.43:113001. 2015 in Chin [4]Zhang Hongkuan.Zhou Xiaoming.Mechanics concept 旭.声学人工结构材料及其物理效应的研究[D).南 and advances o etamaterials design[]Chi 京：南京大学，2015 Mechanics,2016.5:387-397(im 19] K.Qiu C Y.Ke M2 eta.Anomalous refra J 张宏密，兼明。声被超材刻设计的力学原理与民「门 Scientific Reports 2014.4:06517 周体力学学报.2016.5,87-307 and total tefles [5]Ma G.Sheng P.Acoustic metamaterials:from local res tion through an impedance matched scoustic metasurface ances to broad horizonst 1.Science Advances.2016.2 TJ.New I Phys.2014.16:123007 (2):c1501595 [21] Peng P.Xiao B.Wu Y.Flat acoustic lens by acoustic grating with curled slits[]Phys Lett A.2014.378 6(1):3538 [22] A.Pop 178 [7]Yu N F.Genevet P.Kats M A.et al Light pr natchine厂Annl P51t.2013.103.201006 with phase d tinuities:generalized laws of teflection [23 Xie Y.Wang W.Chen H.et al.Wavefront modulation and refractionD].Science.2011.334:333-337 and subwavelength diffractive acot sties with an acoustic [8]Liang Z.Li J.Extreme e acoustic metamaterial by coiling metasurfaceJ].Nat Commun.2014.5:5553. [24] Wang W.Xie ker A.et coiling up spa uu 2014. 994-2018 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
缺点，例如，目前的研究大都集中在基于现有材料的微 结构进行分析，通过调整微结构的尺寸、构型来改进其 相移特性；或者通过现有超表面的组合，实现特性阻抗 的有效匹配来控制波的传播。这种材料设计的方法具 有试凑的性质，对经验的依赖性强，使得获得这种性质 的材料具有偶然性，因此难以满足人们对特定性能的 实际需求；另一方面，目前大多数声学超表面仍然存在 工作频率较窄且易呈现出不连续的多频带特性。如何 解决这些瓶颈难题，将是声学超表面研制的重要课题。 总而言之，目前声学超表面的研究还主要停留在 理论研究和实验阶段，距离具体的应用还有很 漫 长 的 路要走。可 以 看 到，声 学 超 表 面 会 向 着 低 损 耗、宽 频 带、可调控、易加工的方向发展，并将创 新 研 究 与 工 程 实际需求紧密结合，解决目前工程技术中的一系列问 题，如隔声、吸声、声波隐身等控波需求。展望未来，声 学超表面的研究仍将是科学与工程交叉的重要课题。 参考文献： ［１］ ＨｕａｎｇＸｉｎｃｈａｏ，ＦｕＱｕａｎｈｏｎｇ，ＺｈａｎｇＦｕｌｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｄ－ ｖａｎｃｅｓｏｆｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ［Ｊ］．Ａｅｒｏ Ｗｅａｐｏｎｒｙ，２０１６，１：２８－ ３４（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）． 黄新朝，付全 红，张 富 利．超表面研究进展［Ｊ］．航 空 兵 器，２０１６，１：２８－３４． ［２］ ＸｕＷｅｉｋａｉ，ＬｕＳｈａｏｗｅｉ，ＭａＫｅｍｉｎｇ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｓｔｅａｌｔｈｂａｓｅｄｏｎｍｅｔａ－ ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１４，４： １７－２２（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）． 许卫锴，卢少微，马克明，等．超材料在隐身领域的研究 及应用进展［Ｊ］．功能材料，２０１４，４：１７－２２． ［３］ Ｃｈｅｎ Ｈ Ｙ，ＣｈａｎＣ Ｔ，ＳｈｅｎｇＰ．Ａｃｏｕｓｔｉｃｃｌｏａｋｉｎｇａｎｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎａｃｏｕｓｔｉｃｓ［Ｊ］．Ｊ Ｐｈｙｓ Ｄ：Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ， ２０１０，４３：１１３００１． ［４］ Ｚｈａｎｇ Ｈｏｎｇｋｕａｎ，Ｚｈｏｕ Ｘｉａｏｍｉｎｇ．Ｍｅｃｈａｎｉｃｓｃｏｎｃｅｐｔｓ ａｎｄａｄｖａｎｃｅｓｏｆａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．Ｃｈｉ－ ｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２０１６，５：３８７－３９７（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）． 张宏宽，周萧明．声波超材料设计的力学原理与进展［Ｊ］． 固体力学学报，２０１６，５：３８７－３９７． ［５］ ＭａＧ，ＳｈｅｎｇＰ．Ａｃｏｕｓｔｉｃｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ：ｆｒｏｍｌｏｃａｌｒｅｓｏ－ ｎａｎｃｅｓｔｏｂｒｏａｄｈｏｒｉｚｏｎｓ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｃｅＡｄｖａｎｃｅｓ，２０１６，２ （２）：ｅ１５０１５９５． ［６］ ＫａｂｉｒｉＡ，ＹｕＮＦ，ＧａｂｕｒｒｏＺ，ｅｔａｌ．Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｒｅ－ ｆｒａｃｔｉｏｎｏｆｌｉｇｈｔｆｒｏｍ ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓｗｉｔｈｐｈａｓｅｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕ－ ｉｔｉｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，２０１２，６（１）：３５３２－ １７８０． ［７］ ＹｕＮＦ，ＧｅｎｅｖｅｔＰ，ＫａｔｓＭ Ａ，ｅｔａｌ．Ｌｉｇｈｔｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｗｉｔｈｐｈａｓｅｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｉｅｓ：ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｌａｗｓｏｆｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１１，３３４：３３３－３３７． ［８］ ＬｉａｎｇＺ，ＬｉＪ．Ｅｘｔｒｅｍｅａｃｏｕｓｔｉｃｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｂｙｃｏｉｌｉｎｇ ｕｐｓｐａｃｅ［Ｊ］．ＰｈｙｓＲｅｖＬｅｔｔ，２０１２，１０８：１１４３０１． ［９］ ＬｉＹ，ＬｉａｎｇＢ，ＴａｏＸ，ｅｔａｌ．Ａｃｏｕｓｔｉｃｆｏｃｕｓｉｎｇｂｙｃｏｉｌｉｎｇ ｕｐｓｐａｃｅ［Ｊ］．ＡｐｐｌＰｈｙｓＬｅｔｔ，２０１２，１０１：２３３５０８． ［１０］ ＬｉＹ，ＬｉａｎｇＢ，ＧｕＺ Ｍ，ｅｔａｌ．Ｒｅｆｌｅｃｔｅｄｗａｖｅｆｒｏｎｔｍａ－ ｎｉｐｕｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｕｌｔｒａｔｈｉｎｐｌａｎａｒａｃｏｕｓｔｉｃｍｅｔａｓｕｒｆａｃ－ ｅｓ［Ｊ］．ＳｃｉＲｅｐ，２０１３，３：２５４６． ［１１］ ＬｉＹ，ＪｉａｎｇＸ，ＬｉＲＱ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆ ｆｕｌｌｃｏｎｔｒｏｌｏｆｒｅｆｌｅｃｔｅｄｗａｖｅｓｗｉｔｈｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈａｃｏｕｓ－ ｔｉｃｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓＲｅｖＡｐｐｌ，２０１４，２：０６４００２． ［１２］ ＺｈｕＹＦ，ＺｏｕＸＹ，ＬｉＲＱ，ｅｔａｌ．Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｌｅｓｓｍａｎｉｐ－ ｕｌａｔｉｏｎｏｆｒｅｆｌｅｃｔｅｄａｃｏｕｓｔｉｃｗａｖｅｆｒｏｎｔｂｙｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄｓｕｒｆａｃｅ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｐｏｒｔｓ，２０１４，５： １０９６６． ［１３］ ＺｈｕＹＦ，ＺｏｕＸＹ，ＬｉａｎｇＢ，ｅｔａｌ．Ｂｒｏａｄｂａｎｄｕｎｉｄｉｒｅｃ－ ｔｉｏｎａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｓｏｕｎｄｉｎｕｎｂｌｏｃｋｅｄｃｈａｎｎｅｌ［Ｊ］． ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２０１５，１０６（１７）：１０４３０１． ［１４］ ＺｈｕＹ Ｆ，ＺｏｕＸ Ｙ，ＬｉａｎｇＢ，ｅｔａｌ．Ａｃｏｕｓｔｉｃｏｎｅ－ｗａｙ ｏｐｅｎｔｕｎｎｅｌｂｙｕｓｉｎｇ ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１５，１０７（１１）：１０４３０１． ［１５］ ＪｉａｎｇＸ，ＬｉａｎｇＢ，ＺｏｕＸ Ｙ，ｅｔａｌ．Ａｃｏｕｓｔｉｃｏｎｅ－ｗａｙ ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ：ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃｐｈａｓｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｏｕｎｄｂｙ ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｌａｙｅｒ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｐｏｒｔｓ，２０１６，６： ２８０２３． ［１６］ ＪｉａｎｇＸｕｅ，ＬｉＹｏｎｇ，ＬｉａｎｇＢｉｎ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅｒｅｆｌｅｃｔｅｄａｎｄｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄａｃｏｕｓｔｉｃｗａｖｅｂａｓｅｄｏｎ ｔｈｅｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，２０１５，３４（６）：１７－１９（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）． 江 雪，李 勇，梁 彬，等．基于超表面的声波操控 ［Ｊ］．声学技术，２０１５，３４（６）：１７－１９． ［１７］ Ｚｈｕ Ｙｉｆａｎ，ＦａｎＸｉａｏｄｏｎｇ，ＬｉａｎｇＢｉｎ，ｅｔａｌ．Ａｃｏｕｓｔｉｃ ｏｎｅ－ｗａｙｃｈａｎｎｅｌｂａｓｅｄｏｎ ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，２０１５，３４（６）：３０－３２． 朱一凡，范旭东，梁 彬，等．基于超表面的单向声学 通道［Ｊ］．声学技术，２０１５，３４（６）：３０－３２． ［１８］ ＮｉＸｕ．Ｎｏｖｅｌｐｈｙｓｉｃａｌｅｆｆｅｃｔｓｏｆｓｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓａｎｄａｃｏｕｓ－ ｔｉｃ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｄ］．Ｎａｎｊｉｎｇ：Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ２０１５（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）． 倪 旭．声学人工结构材料及其物理效应的研究［Ｄ］．南 京：南京大学，２０１５． ［１９］ ＴａｎｇＫ，ＱｉｕＣＹ，ＫｅＭＺ，ｅｔａｌ．Ａｎｏｍａｌｏｕｓｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆａｉｒｂｏｒｎｅｓｏｕｎｄｔｈｒｏｕｇｈ ｕｌｔｒａｔｈｉｎ ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］． ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｐｏｒｔｓ２０１４，４：０６５１７． ［２０］ ＭｅｉＪ，ＷｕＹ．Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｔｏｔａｌｒｅｆｌｅｃ－ ｔｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈａｎｉｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈｅｄａｃｏｕｓｔｉｃｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ ［Ｊ］．ＮｅｗＪＰｈｙｓ，２０１４，１６：１２３００７． ［２１］ ＰｅｎｇＰ，ＸｉａｏＢ，ＷｕＹ．Ｆｌａｔａｃｏｕｓｔｉｃｌｅｎｓｂｙａｃｏｕｓｔｉｃ ｇｒａｔｉｎｇｗｉｔｈｃｕｒｌｅｄｓｌｉｔｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓＬｅｔｔＡ，２０１４，３７８： ３３８９－３３９２． ［２２］ ＸｉｅＹ，ＫｏｎｎｅｋｅｒＡ，ＰｏｐａＢＩ，ｅｔａｌ．Ｔａｐｅｒｅｄｌａｂｙｒｉｎ－ ｔｈｉｎｅａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒｂｒｏａｄｂａｎｄｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ［Ｊ］．ＡｐｐｌＰｈｙｓＬｅｔｔ，２０１３，１０３：２０１９０６． ［２３］ ＸｉｅＹ，ＷａｎｇＷ，ＣｈｅｎＨ，ｅｔａｌ．Ｗａｖｅｆｒｏｎｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅａｃｏｕｓｔｉｃｓｗｉｔｈａｎａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ［Ｊ］．ＮａｔＣｏｍｍｕｎ，２０１４，５：５５５３． ［２４］ ＷａｎｇＷ，ＸｉｅＹ，ＫｏｎｎｅｋｅｒＡ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｅｍｏｎ－ ｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｂｒｏａｄｂａｎｄｔｈｉｎｐｌａｎａｒｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅａｃｏｕｓｔｉｃｌｅｎ－ ｓｅｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌＰｈｙｓＬｅｔｔ，２０１４，１０５：１０１９０４． ８５０１１ ２０１７年第１１期（４８）卷