声学旋转器作为一种奇特的声学幻象器件,他们的收获得到了有效密度近零的声学超构材料

2014年2月25日,The American Institute of Physics
网站报道(作为Highlight)了物理学院声学研究所程建春课题组在声学超常材料方面的研究工作
(
Physics Letters上[Appl. Phys. Lett.104,
083510],论文第一作者是南京大学物理学院大四本科生江雪同学,合作通讯作者是由我校派赴美国伊利诺伊大学香槟分校从事访问研究的梁彬副教授。该工作首次设计出一种简单高效的声场旋转器(acoustic
field
rotator),可在宽带范围内对声波波阵面进行有效操控,使波阵面“旋转”起来,并在实验上成功实现旋转效果。这为实现声场特殊操控提供新的可能,在生物医学成像和治疗等领域上具有潜在价值。

2015年7月,The American Institute of Physics
网站报道(作为Highlight)了物理学院声学研究所刘晓峻教授课题组在声学超构材料方面的研究工作
(
of Applied Physics上[J. Appl. Phys. 118, 024505
],论文第一作者是硕士生顾源同学,共同通讯作者是声学所程营副教授。该工作基于薄膜阵列首次设计出一种简单高效的具备近零有效密度的声学超构材料(Density-Near-Zero
Metamaterials),可在各种不同情况下对声波进行有效调控,使之在经过任意形状障碍物、直角波导和分束器时保持较高透射率和平面波阵面。这为实现声场特殊操控提供新的可能,在声学超分辨率成像等领域上具有潜在价值。

最近,我校物理学院声学研究所、人工微结构科学与技术协同创新中心程建春教授和梁彬教授在声波操控研究方面取得重要突破,最新研究成果以“Fine
manipulation of sound via lossy metamaterials with independent and
arbitrary reflection amplitude and phase”
为题发表在2018年4月24日的Nature Communications上 [Nature
Communications, 9, Article number:1632,
doi:10.1038/s41467-018-04103-0]。论文的第一作者是南京大学博士生朱一凡,南京大学梁彬教授、程建春教授和华中科技大学祝雪丰教授为共同通讯作者。

AIP的报道指出“许多研究工作致力于采用超构材料来实现对声波的特殊操控,例如声学隐身、声学幻象等。声学旋转器作为一种特殊的声学幻象器件,能够将在其中的声波波阵面旋转一个特定的角度,这在之前的研究中从未有过”。“该研究组希望利用这种能够自由调控声波波阵面的声学旋转器实现医疗超声仪器中对声波更加精确的控制,提高超声检测仪器的分辨率,改善对坏损组织成像和治疗质量”。随后,Science
Daily、PHYSORG、Scientific American、Nanothchnology、PR
Newswire、Science Space & Robots、RedOrbit、R&D
等多家网站相继转载了AIP对该工作的新闻报道。

AIP的报道指出“声波会被所遇到的障碍物散射,导致信号损耗或丢失。那可否使声信号穿透障碍物而不被影响呢?最近,中国南京大学的研究者通过聚合物薄膜构造的声学人工材料实现了这一点”,“他们的成果获得了有效密度近零的声学超构材料,赋予简单的传输线网络以梦寐以求的性质,如高效直角波导和分束、声隐身等。并且研究者可以通过调节薄膜特性来调整传输线网络的工作频率,这是之前的原型器件中没有实现的”。“该研究组希望利用这种能够高效调控声波波阵面的薄膜网络实现平面放大声学超透镜,获得突破传统成像系统极限的亚波长超分辨率”。随后,Science
Daily、PHYSORG、Physics News、Science News
Line、Press-news、Eurekalert、Nanotech-Now、Space Daily、Newswise、World
Wide Science、The British Post、International Nuclear Information
System等多家网站相继转载了AIP对该工作的新闻报道。

该工作利用损耗型声超材料首次实现了声波振幅和相位的解耦操控,并通过实验展示高质量单平面二维和多平面三维声全息生成等现象,证明了此类超材料对三维声场的精细操控的能力。与传统的纯相位声全息相比,基于振幅和相位解耦操控的声全息方法具有设计简便、成像质量好和保真度高等重要优势。

变换声学(transformation acoustics)和声学超构材料(acoustic
metamaterial)是近年来科学界的两大研究热点。尽管人们通过变换声学在理论上实现了许多奇特的声学现象,然而由坐标变换得到的结构参数一般具有很强的各向异性以及非均匀性,在自然界几乎无法找到符合要求的材料,这为实际应用和推广提出更高的挑战。程建春小组提出一种新的思路,通过变换声学与声学超构材料的巧妙结合,设计具有各向异性参数的亚波长声学结构,并首次在理论和实验上实现声场旋转,实验样品和实验结果见图1和图2。由于不存在声学共振元件,该声场旋转器能够在很宽的频段内有效工作,并能通过调整结构参数灵活控制旋转角度。声学旋转器的设计具有很大的灵活性,所需的材料参数简单,极大降低了设计与制备的难度,为声波的特殊操控提供了崭新的设计可能性,因而具有广阔的应用前景。(南京大学声学所
梁斌)

声波通过近零有效密度薄膜阵列示意图。

三维声场的精细控制是声学领域中长期存在的关键科学问题,在超声成像与治疗、建筑声学及粒子操控等多个领域都具有重要的应用前景。然而,任意一个声信号包含幅值和相位信息,声波的完全控制要求能够对两个自由度进行独立调制,但这仍然是一个具有挑战性的难题。另一方面,能量损耗的存在通常被认为会破坏声波操控效果,因此现有的声超材料研究大都局限于无损耗的声学系统。程建春课题组提出了全新的研究思路,通过人为引入受控的能量损耗,开辟了新的声波操控自由度,发展了损耗型声超材料的设计理论,实现了对声波振幅和相位的解耦调制。所设计的损耗型声超材料具有简单的开孔结构,可利用3D打印进行快速制备。通过在超材料背部设置吸收边界和调控结构参数,引入可控的泄漏损耗,严格证明了该体系中反射声波的振幅和相位可以分别在[0,1]和[0,2π]范围内进行独立操控,并通过产生高质量的Airy束、多焦点聚焦及声学全息投影,在理论和实验上展示了基于新机制的声波精细操控效果。

图片 1

(物理学院 科学技术处)

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图1:声波旋转器样品图。

图1
声全息重建示意图。LAM声全息示意图。目标全息图像。幅值相位全操控的数值模拟全息像。
传统纯相位法数值模拟全息像。

图片 3

图1对比了幅度相位解耦调控与传统的纯相位调控方法在产生高复杂度声全息方面的能力,幅值相位法声全息具有简单的设计过程,目标像为南京大学校徽图案。数值模拟结果证明,通过利用损耗型超材料对幅度和相位进行独立操控,可产生高质量、高保真度的声全息,不仅避免了繁复的计算机优化设计过程,其效果亦明显优于传统纯相位优化方法。

图2:、分别是3400Hz、5700Hz、6700Hz时仿真和实验结果对比图。右上方是旋转器中心区域仿真结果的放大图,右下方是相应区域的实验测量结果。

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图2目标全息图像。计算振幅相位分布。LAM样品。数值模拟的振幅相位全息图。实验测量的振幅相位全息图。纯相位数值模拟图。相关度与频率的关系。相关度与距离的关系。相关度与背面阻抗的关系。

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图3
多平面三维全息示意图。计算振幅相位分布。LAM样品。数值模拟的三个平面的全息像。实验测量的三个平面的全息像。

图2和3分别展示了二维及三维声全息的实验结果。利用损耗型超材料在单个平面上投射出树叶图案的二维声全息像,实验结果与模拟结果吻合较好,优于传统纯相位方法,并通过计算相关度来定量分析。基于此,进一步在实验上实现了多平面的三维声全息生成,数值和实验结果展示了损耗型超材料可在三个不同平面上分别投射字母“N”,
“J”, “U”。

该项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、南京大学登峰人才计划、江苏高校优势学科建设工程项目和南大博士研究生创新能力提升计划等项目支持。

(物理学院 科学技术处)