近年來(lái)資源配置，作為一種可調(diào)控波相位、極化方式相關、傳播模式的超薄聲學(xué)人工表面結(jié)構(gòu)大力發展，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，在吸聲降噪生產效率、醫(yī)學(xué)超聲產能提升、聲波器件適應性、探測(cè)、通信等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景通過活化。然而落地生根，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(wèn)題，且主動(dòng)調(diào)控的手段也存在功能色散研學體驗、低可靠性建設項目、高系統(tǒng)復(fù)雜度和高制造成本等諸多挑戰(zhàn)。更重要的是落實落細，可重構(gòu)超構(gòu)表面雖可保證離散頻率下波動(dòng)功能，但不太可能適用于含多個(gè)頻率的寬帶入射波包高效化。因此製高點項目，從工程應(yīng)用的角度來(lái)看，聲學(xué)超構(gòu)表面亟需實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式超寬帶範圍和領域、非頻變特性有所增加，也需更多新的結(jié)構(gòu)形式與調(diào)控機(jī)理。

近期更高要求，北京理工大學(xué)方岱寧院士和董浩文副教授越來越重要的位置、香港理工大學(xué)成利院士、天津大學(xué)汪越勝教授共同學習、美國(guó)羅文大學(xué)沈宸助理教授順滑地配合、青島大學(xué)趙勝東副教授密切合作，并聯(lián)合德國(guó)錫根大學(xué)張傳增院士效高、美國(guó)杜克大學(xué)Steven A. Cummer教授前沿技術、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(guó)內(nèi)外學(xué)者，在超構(gòu)材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)展性能。該團(tuán)隊(duì)提出了定制化色散的逆向設(shè)計(jì)方法多種方式，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打印技術創新，成功構(gòu)造了消色差聲學(xué)超構(gòu)表面體系流動性，實(shí)現(xiàn)了高效、相對(duì)帶寬為93.3%的聲波定向傳輸帶來全新智能、相對(duì)帶寬為120%的能量聚焦實現了超越、相對(duì)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)理更優質，為超寬帶相對開放、高效、多功能超構(gòu)材料器件提供了新的設(shè)計(jì)范式脫穎而出，可為*結(jié)構(gòu)技術(shù)與完拓展應用。美波動(dòng)調(diào)控的結(jié)合提供系統(tǒng)的理論與方法生產創效。該研究以“Achromatic metasurfaces by dispersion customization for ultra-broadband acoustic beam engineering"為題發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)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管理，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(jì)框架（圖1）優化上下。為實(shí)現(xiàn)聲波異常折射、聚焦和超聲懸浮功能模樣，超構(gòu)表面需分別產(chǎn)生具備線性非色散生產體系、非線性非色散、非線性色散特性的三類(lèi)波束很重要，即：定向傳輸波束能力和水平、聚焦束和局域空心束（圖1b）。事實(shí)上異常狀況，為實(shí)現(xiàn)特定的色散研究、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(shí)滿足特定的等效折射率應用創新、相對(duì)群延遲以及相對(duì)群延遲色散提高。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)化模型的特性，利用遺傳算法完成了超寬帶交流、消色差、高效聲學(xué)超構(gòu)表面的逆向設(shè)計(jì)提供堅實支撐。

圖1：超寬帶消色差超構(gòu)表面的逆向設(shè)計(jì)方法

為證實(shí)逆向設(shè)計(jì)方法的正確性與有效性還不大，本研究首先針對(duì)聲波異常折射功能，設(shè)計(jì)出具有非對(duì)稱(chēng)局部腔體簡單化、彎曲空氣通道的超構(gòu)表面單元（圖2a）力度。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設計。值得注意的是業務指導，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(wú)法由單一構(gòu)型所決定就此掀開，而需要多種拓?fù)涮卣鞯慕M合來(lái)實(shí)現(xiàn)長足發展。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穩步前行，2e）結構不合理。

圖2：逆向設(shè)計(jì)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(jì)出更復(fù)雜的非對(duì)稱(chēng)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）逐步改善，且折射率增加的程度逐漸降低意見征詢；大部分超構(gòu)表面單元均可保持高于80%的傳輸效率（圖3c）。有趣的是大大提高，#4的必然要求、#5研究成果、#6和#7單元具有非常相似的拓?fù)涮卣鳎?3完善好、#2單元卻呈現(xiàn)完大面積。全不同的特征，這意味著單一的拓?fù)錁?gòu)型無(wú)法實(shí)現(xiàn)超寬帶非色散功能問題分析。結(jié)果表明培養，優(yōu)化的超構(gòu)表面可實(shí)現(xiàn)具有恒定焦距、高效更加完善、聲波聚焦功能（圖3d形式，3e），證實(shí)了其超寬帶[1000 Hz, 4000 Hz]資源配置、消色差特性信息。

圖3：逆向設(shè)計(jì)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(shì)，本研究還針對(duì)寬低頻大力發展、高度復(fù)雜的色散特性，設(shè)計(jì)出一系列具有非色散生產效率、非線性色散特性的高效超構(gòu)表面單元（圖4a）產能提升。通過(guò)特定的單元集成方式，構(gòu)建了含13×13個(gè)微米尺度單元(4.2 mm×4.2 mm×1.2 cm,S140節點，摩方精密通過活化，10 μm打印精度)、輕質(zhì)成就、超薄的3D聲波超表面(5.46 cm×5.46 cm×1.2 cm)重要方式。結(jié)果表明，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）系統，從而實(shí)現(xiàn)了單邊非常重要、穩(wěn)定、超寬帶的超聲懸浮現(xiàn)象（圖4f）空間廣闊，顯著優(yōu)于目前已知的超聲懸浮技術(shù)營造一處。此外，超構(gòu)表面的波動(dòng)功能對(duì)熱粘滯損耗也具有很強(qiáng)的魯棒性知識和技能。

圖4：逆向設(shè)計(jì)的聲學(xué)超構(gòu)表面與超寬帶取得顯著成效、單邊、穩(wěn)定的超聲粒子懸浮

為揭示超寬帶消色差特性的機(jī)理實現，本研究詳細(xì)地考察了具有線性非色散不容忽視、線性非色散、非線性色散特性的3個(gè)代表性超構(gòu)表面單元服務體系，分析了其相位響應(yīng)（圖5a-5c）說服力、等效阻抗矩陣（圖5d-5f）和散射性質(zhì)（圖5g-5i）搶抓機遇。結(jié)果顯示，優(yōu)化的非對(duì)稱(chēng)單元均存在明顯的內(nèi)部共振(internal resonance)逐漸顯現，從而有效地補(bǔ)償了由單個(gè)結(jié)構(gòu)塊體色散而產(chǎn)生的復(fù)雜相移全會精神。此外，3種單元也存在一定程度的雙各向異性(bi-anisotropy)拓展基地。更有趣的是集中展示，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)，可被視為一種新的超構(gòu)表面設(shè)計(jì)自由度體系流動性。

圖5：超寬帶消色差特性的協(xié)同作用機(jī)理

針對(duì)聲波超寬帶聲束工程探索創新，本研究發(fā)展了融合相位、幅值實現了超越、色散新產品、功能的聲學(xué)超構(gòu)表面通用逆向設(shè)計(jì)框架，設(shè)計(jì)出一系列新型非對(duì)稱(chēng)超表面橋梁作用，實(shí)現(xiàn)了超寬帶長遠所需、消色差聲波負(fù)折射、聚焦和超聲懸浮三類(lèi)功能讓人糾結，揭示了超寬帶消色差特性的協(xié)同作用機(jī)理紮實做，即：集成的內(nèi)部共振、雙各向異性以及多散射效應(yīng)至關重要。研究可為超寬帶提供深度撮合服務、被動(dòng)式、多功能超構(gòu)材料的構(gòu)造提供系統(tǒng)性逆向設(shè)計(jì)方法的發生，可為2D/3D彈性波/聲波超構(gòu)材料的大規(guī)模組成部分、集成設(shè)計(jì)提供重要的理論指導(dǎo)與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。近年來(lái)新的動力，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(jì)模型的過程中，揭示了寬帶力學(xué)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了一系列高性能彈性波廣泛認同、聲波國際要求、水聲功能及器件，為超構(gòu)材料寬低頻響應(yīng)的系統(tǒng)性創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了解決方案鍛造。