如何高效產生擴散聲場是聲學領域的重要問題，傳統(tǒng)SD是上世紀70年代提出的經典設計，通過按照特殊的數(shù)列來設計各個單元的深度，產生了優(yōu)化可控的漫反射效果。SD目前已經成為成熟的商用產品，不僅廣泛應用于建筑聲學及噪聲控制等重要場合，亦被證明有望在粒子操控、醫(yī)學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的時間里始終制約著其在低頻和中頻聲波操控方面的應用。
南京大學物理學院聲學研究所、人工微結構科學與技術協(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超表面構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典聲學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) 的結構示意圖
針對這一難題，基于聲學超表面概念提出了通過激發(fā)局域共振在亞波長尺度內產生有限大小的傳播相位突變的思路，突破了經典理論的局限。傳統(tǒng)SD及基于聲超表面施羅德擴散體（Metasurface-based Schroeder diffuser, MSD）的結構對比如圖1所示，MSD的單元利用超薄的非經典Helmholtz諧振腔構建，其厚度僅為傳統(tǒng)SD的1/10。理論推導及數(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。上圖為實驗結果，下圖為模擬結果。
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)產品的聲學性能，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揭示了大量新奇的物理現(xiàn)象，但尚未成功應用于解決實際聲學難題。該工作在聲超表面的基礎研究和實際應用之間搭建了橋梁，邁出了其走向實用化的第一步，這對于聲超材料研究領域具有重大意義。基于新原理構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，有望在建筑聲學及噪聲控制等領域帶來技術變革，并產生顯著的社會效益與經濟價值。
該項工作得到國家自然科學基金、南京大學登峰人才計劃（B類）和江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程項目的支持。
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