近年來，作為一種可調(diào)控波相位標準、極化方式示範推廣、傳播模式的超薄聲學(xué)人工表面結(jié)構(gòu)，聲學(xué)超構(gòu)表面(Acoustic metasurfaces)可以實(shí)現(xiàn)許多新奇的波控功能即將展開，在吸聲降噪大幅增加、醫(yī)學(xué)超聲、聲波器件傳承、探測等特點、通信等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。然而多種，絕大多數(shù)聲學(xué)超構(gòu)表面都面臨突出的窄帶和功能色散問題將進一步，且主動調(diào)控的手段也存在功能色散、低可靠性發展成就、高系統(tǒng)復(fù)雜度和高制造成本等諸多挑戰(zhàn)成就。更重要的是，可重構(gòu)超構(gòu)表面雖可保證離散頻率下波動功能，但不太可能適用于含多個頻率的寬帶入射波包系統。因此非常重要，從工程應(yīng)用的角度來看，聲學(xué)超構(gòu)表面亟需實(shí)現(xiàn)被動式超寬帶空間廣闊、非頻變特性營造一處，也需更多新的結(jié)構(gòu)形式與調(diào)控機(jī)理。

近期知識和技能，北京理工大學(xué)方岱寧院士和董浩文副教授資源優勢、香港理工大學(xué)成利院士、天津大學(xué)汪越勝教授特征更加明顯、美國羅文大學(xué)沈宸助理教授估算、青島大學(xué)趙勝東副教授密切合作，并聯(lián)合德國錫根大學(xué)張傳增院士方便、美國杜克大學(xué)Steven A. Cummer教授基礎上、中科院深圳*技術(shù)研究院鄭海榮教授和邱維寶研究員等國內(nèi)外學(xué)者，在超構(gòu)材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)展應用領域。該團(tuán)隊(duì)提出了定制化色散的逆向設(shè)計方法保持競爭優勢，利用面投影微立體光刻技術(shù)(nanoArch S140，摩方精密)實(shí)現(xiàn)了聲學(xué)超構(gòu)表面的高精度3D打印發展機遇，成功構(gòu)造了消色差聲學(xué)超構(gòu)表面長效機製，實(shí)現(xiàn)了高效、相對帶寬為93.3%的聲波定向傳輸全技術方案、相對帶寬為120%的能量聚焦分享、相對帶寬為118.9%的超聲粒子懸浮等超寬帶聲學(xué)波束工程，并揭示了超寬帶消色差特性的力學(xué)機(jī)理信息化，為超寬帶方式之一、高效、多功能超構(gòu)材料器件提供了新的設(shè)計范式新型儲能，可為*結(jié)構(gòu)技術(shù)與完.美波動調(diào)控的結(jié)合提供系統(tǒng)的理論與方法創新能力。該研究以“Achromatic metasurfaces by dispersion customization for ultra-broadband acoustic beam engineering"為題發(fā)表于《國家科學(xué)評論》(National Science Review, NSR, https://doi.org/10.1093/nsr/nwac030, 2022)。

為獲得超構(gòu)表面的定制化色散特性範圍，該研究提出了系統(tǒng)的超寬帶消色差 “至下而上"逆向設(shè)計框架（圖1）求得平衡。為實(shí)現(xiàn)聲波異常折射、聚焦和超聲懸浮功能空間廣闊，超構(gòu)表面需分別產(chǎn)生具備線性非色散至關重要、非線性非色散、非線性色散特性的三類波束雙重提升，即：定向傳輸波束戰略布局、聚焦束和局域空心束（圖1b）。事實(shí)上表現明顯更佳，為實(shí)現(xiàn)特定的色散狀態、嚴(yán)苛的相位分布與傳輸效率，所有超構(gòu)表面單元必須同時滿足特定的等效折射率指導、相對群延遲以及相對群延遲色散廣泛認同。因此，本研究建立了超構(gòu)表面單元的“相位-效率-色散"的拓?fù)鋬?yōu)化模型流動性，利用遺傳算法完成了超寬帶鍛造、消色差、高效聲學(xué)超構(gòu)表面的逆向設(shè)計具體而言。

圖1：超寬帶消色差超構(gòu)表面的逆向設(shè)計方法

為證實(shí)逆向設(shè)計方法的正確性與有效性工具，本研究首先針對聲波異常折射功能，設(shè)計出具有非對稱局部腔體喜愛、彎曲空氣通道的超構(gòu)表面單元（圖2a）重要的角色。在低頻寬帶范圍內(nèi)(1600-4400 Hz)，優(yōu)化單元具備恒定的等效折射率與高傳輸率（圖2b, 2c）以及線性非色散特性向好態勢。值得注意的是平臺建設，這種拓?fù)涮卣髋c傳統(tǒng)的Helmholtz共振腔和迷宮結(jié)構(gòu)非常不同。這種區(qū)別意味著超寬帶非色散特性無法由單一構(gòu)型所決定貢獻力量，而需要多種拓?fù)涮卣鞯慕M合來實(shí)現(xiàn)使用。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了具有恒定折射角的高效、異常透射功能（圖2d發行速度，2e）更加堅強。

圖2：逆向設(shè)計的聲學(xué)超構(gòu)表面與其超寬帶高效異常波束折射

本研究進(jìn)一步設(shè)計出更復(fù)雜的非對稱超構(gòu)表面單元（圖3a），其具備超寬帶恒定的等效折射率（圖3b）性能，且折射率增加的程度逐漸降低不斷豐富；大部分超構(gòu)表面單元均可保持高于80%的傳輸效率（圖3c）。有趣的是組建，#4各有優勢、#5、#6和#7單元具有非常相似的拓?fù)涮卣髦匾囊饬x，?3持續、#2單元卻呈現(xiàn)*不同的特征，這意味著單一的拓?fù)錁?gòu)型無法實(shí)現(xiàn)超寬帶非色散功能再獲。結(jié)果表明產品和服務，優(yōu)化的超構(gòu)表面可實(shí)現(xiàn)具有恒定焦距、高效體驗區、聲波聚焦功能（圖3d增多，3e）活動上，證實(shí)了其超寬帶[1000 Hz, 4000 Hz]、消色差特性進一步推進。

圖3：逆向設(shè)計的聲學(xué)超構(gòu)表面與其超寬帶高效聚焦

為更進(jìn)一步展示所發(fā)展優(yōu)化模型與方法的優(yōu)勢導向作用，本研究還針對寬低頻、高度復(fù)雜的色散特性應用的選擇，設(shè)計出一系列具有非色散真正做到、非線性色散特性的高效超構(gòu)表面單元（圖4a）。通過特定的單元集成方式創新延展，構(gòu)建了含13×13個微米尺度單元(4.2 mm×4.2 mm×1.2 cm,S140強化意識，摩方精密，10 μm打印精度)基本情況、輕質(zhì)現場、超薄的3D聲波超表面(5.46 cm×5.46 cm×1.2 cm)。結(jié)果表明力量，超構(gòu)表面可在[16.5 kHz, 66 kHz]內(nèi)產(chǎn)生具有恒定懸浮位置的局域空心束（圖4e）不久前，從而實(shí)現(xiàn)了單邊、穩(wěn)定提升行動、超寬帶的超聲懸浮現(xiàn)象（圖4f）能力建設，顯著優(yōu)于目前已知的超聲懸浮技術(shù)。此外研究進展，超構(gòu)表面的波動功能對熱粘滯損耗也具有很強(qiáng)的魯棒性無障礙。

圖4：逆向設(shè)計的聲學(xué)超構(gòu)表面與超寬帶、單邊快速融入、穩(wěn)定的超聲粒子懸浮

為揭示超寬帶消色差特性的機(jī)理認為，本研究詳細(xì)地考察了具有線性非色散、線性非色散增強、非線性色散特性的3個代表性超構(gòu)表面單元重要意義，分析了其相位響應(yīng)（圖5a-5c）、等效阻抗矩陣（圖5d-5f）和散射性質(zhì)（圖5g-5i）更加廣闊。結(jié)果顯示規劃，優(yōu)化的非對稱單元均存在明顯的內(nèi)部共振(internal resonance)，從而有效地補(bǔ)償了由單個結(jié)構(gòu)塊體色散而產(chǎn)生的復(fù)雜相移可以使用。此外進入當下，3種單元也存在一定程度的雙各向異性(bi-anisotropy)。更有趣的是效高化，這種優(yōu)化的超構(gòu)表面單元還存在顯著的多散射效應(yīng)新體系，可被視為一種新的超構(gòu)表面設(shè)計自由度。

圖5：超寬帶消色差特性的協(xié)同作用機(jī)理

針對聲波超寬帶聲束工程創造，本研究發(fā)展了融合相位不難發現、幅值貢獻法治、色散、功能的聲學(xué)超構(gòu)表面通用逆向設(shè)計框架空間載體，設(shè)計出一系列新型非對稱超表面高質量，實(shí)現(xiàn)了超寬帶、消色差聲波負(fù)折射經驗分享、聚焦和超聲懸浮三類功能解決方案，揭示了超寬帶消色差特性的協(xié)同作用機(jī)理趨勢，即：集成的內(nèi)部共振有力扭轉、雙各向異性以及多散射效應(yīng)。研究可為超寬帶一站式服務、被動式廣度和深度、多功能超構(gòu)材料的構(gòu)造提供系統(tǒng)性逆向設(shè)計方法，可為2D/3D彈性波/聲波超構(gòu)材料的大規(guī)模引領作用、集成設(shè)計提供重要的理論指導(dǎo)與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)加強宣傳。近年來，本團(tuán)隊(duì)已提出了多種彈性波/聲波超構(gòu)材料的逆向設(shè)計模型用的舒心，揭示了寬帶力學(xué)機(jī)理技術發展，實(shí)現(xiàn)了一系列高性能彈性波、聲波集成、水聲功能及器件重要手段，為超構(gòu)材料寬低頻響應(yīng)的系統(tǒng)性創(chuàng)新設(shè)計提供了解決方案。