声学超构表面-物理杂志.PDF(2)

图7(b) ，(c)分别给出了实验测量和数值模拟景。实现高透射能量的声学条件是让结构的等效的结果。可以看出，线源发射柱面波后，经过超阻抗与空气的阻抗匹配。阻抗的定义为等效密度构表面的调制，透射声场沿弯曲路径传播，与测乘以等效声速。从前面的分析可知，对相位的量的声场吻合。图7(d)定量地给出了沿传播路径调控本质上是调控超构表面的等效声速(或折射上的声压级分布图。可以看出，实验测量结果与率) ，而高透射能量则要求阻抗匹配，这也就意味数值模拟结果相吻合，证明了超构表面在调控复着在调控等效声速的同时等效密度需以相反趋势杂透射声场的可靠性。变化才可能实现等效阻抗匹配，这个条件在自然除了耦合共振机理外，国内外相关课题组也界材料中无法实现。举例来说，空气的密度和声用折叠空间构建的迷宫结构实现了对透射声场的· 726 ··46 卷 (2017 年) 11 期 调控。如武汉大学刘正 猷教授和邱春印教授课 题组利用迷宫结构实现[10] 了异常折射 ；杜克大学 Steven Cummer 教授课题 组利用变截面的迷宫结 构实现了传播态到表面 态的转化和高阶衍射模[9] 态的产生 ；华中科技大 学祝雪丰教授、黑龙江 大学刘盛春教授和香港 理工大学祝捷教授提出 图7 (a)形成自弯曲声束所需的相位分布，其中黑色线为理论模型，红色点由超构表面单元提 了螺旋形结构实现了非 供；(b)实验测量区域的声压级分布；(c)数值模拟的入射波声压分布和透射波声压级分布图；(d)沿弯曲路径上理论模拟和实验测量的声压级分布对比图[27] 衍射自加速声束 。

值得一提的是，在传统声学设计中利用有源 声学相控阵也可以实现对声场的调控，然而有源 相控阵需采用大量的声源，而且每个声源需要匹 配电路来单独调控相位，这无疑极大地增加了器 件成本和系统复杂度。同时，每个声源都具有一 定的体积，这将严重限制该方法在产生高频率声 波中的应用，因为当单个换能器的尺寸达到声波图8 利用声学超构表面产生轨道角动量的原理示意图 波长的数量级时，声学阵列的方法将失效。超构表[15] 面构建的无源相控阵具有平面、易加工、低成本播路径的特殊结构 。第一种原理要求使用成百 和高效率等优势，因而具有巨大的应用前景。上千个独立的换能器构成声学阵列以及繁杂的电路控制，带来的高成本和复杂的调控限制了其在 4.2 螺旋声波现实中的应用。而在第二种方法中，所使用的螺旋形状的结构具有非常大的体积，其尺寸一般在带轨道角动量(OAM)、具有螺旋相位分布的几十个声波波长的数量级，庞大的体积同样限制 螺旋声场在基础物理领域及实际应用领域有着重了这种方法在实际中的应用，特别是在产生低频[28—32] 要的研究意义 。螺旋场的最显著特点是其相率的声学螺旋场的应用。 位沿角度θ方向呈螺旋分布；轴向中心的场强为我们提出了产生声学轨道角动量的一种全新 零。

声螺旋波轨道角动量可用拓扑阶数m 来表[15]思路 ，通过亚波长厚度的声学超构表面产生沿 征。由于声螺旋场携带轨道角动量的特征，其在[33]角度θ方向分布的等效声波矢量 。利用超构表面 众多领域有着潜在的应用价值，例如在生物医学产生声学螺旋场的原理如图8 所示。当平面声场 超声领域可实现对微粒、细胞的无接触定位、旋入射到超构表面后，超构表面可有效地调控声波 转等操作。由此，如何简单有效地产生声螺旋场传播快慢，使出射端声场相位沿θ方向呈螺旋分 成为国内外研究的一个热点。目前产生声螺旋波布，进而产生声学螺旋场。以产生一阶声螺旋场 的方法是引入在θ方向用螺旋相位分布的主动声(相位沿θ方向一周变化2π)为例，其透射端螺旋相[28, 31] 源阵列 ，或采用依赖于在θ方向螺旋分布的传位分布为ϕ θ = exp iθ 。根据关系ϕ= kl ，l 为固( ) ( )·46 卷 (2017 年) 11 期· 727 · 声学专题合，在声场中心处的声压绝对值都几乎为零。此外，截面上测量得到的声强透射系数为88.4% ，进一步证明了所提出的设计原理的高效性。在这一部分，我们提出利用超构表面产生轨道角动量的概念，以新的设计思路实现了声学螺旋场。

通过构建8 个超构表面扇形单元，产生沿角度θ方向分布的等效声波矢量，在理论和实验中产生拓扑阶数m= 1 的声学螺旋场。相比于其他几种产生螺旋声场的结构，超构表面具有高透射率和亚波长、平面状的几何特点，为使用微型化、集成化的声学结构产生任意拓扑阶数m 的声学轨道角动量提供了崭新的设计可能性，因而具有广阔的应用前景，如武汉大学刘正猷教授和邱图9 (a)产生一阶螺旋声场的声学超构表面样品(上半部分) ，其由沿径向的8 个扇形部分构成，每个扇形部分可提供递进步长为1/4 的等效波数。每个扇形部分的具体春印教授课题组利用超构表面成构造(下半部分) ；(b)平面波透过超构表面后的透射螺旋声场；(c)—(f)离超构表面特功产生了螺旋声波，并利用螺旋定距离(z=0.27 λ和z=0.5 λ)的平面内声场相位分布的实验测量结果，以及对应径向上声波携带的旋转角动量的转矩，理论、模拟和测量声强分布的对比[34]实现了对物体的旋转 。λ/2定值 ，得到在8 个不同角度上的扇形区域中所需的等效波数k eff /k0 分别为0声学超构材料，1/4 ，1/2 ，3/4 ， 4.3 声能量非对称传输1，5/4 ，3/2 ，7/4 。

近年来，有许多研究者河北大口径螺旋钢管厂家河北大口径螺旋钢管厂家将螺旋管技术运用于微滤、纳滤、渗透以及膜蒸馏等中空纤维膜传质分离过程，都取得了良好的效果这是因为螺旋管可以在管道内部形成与管的轴向垂直的二次流动，这种二次流动与轴向主流复合成螺旋式的前进运动这样对于流体的层流传质，它不仅仅依靠流体的径向扩散，还有径向二次流的作用，相当于将边界层进行了破坏，更新传质表面．增强了流体在层流运动时的混合，提高传质效果．螺旋管也会改进管外流型，即壳层流动的流型．增加管外液体的径向混合，减少壳程的沟流和死区，同时由于接近错流，纤维的传质表面不断更新，壳程的传质系数会进一步增大河北大口径螺旋钢管厂家。近年来，有许多研究者河北大口径螺旋钢管厂家河北大口径螺旋钢管厂家将螺旋管技术运用于微滤、纳滤、渗透以及膜蒸馏等中空纤维膜传质分离过程，都取得了良好的效果这是因为螺旋管可以在管道内部形成与管的轴向垂直的二次流动，这种二次流动与轴向主流复合成螺旋式的前进运动这样对于流体的层流传质，它不仅仅依靠流体的径向扩散，还有径向二次流的作用，相当于将边界层进行了破坏，更新传质表面．压槽卡箍连接涂塑钢管增强了流体在层流运动时的混合，提高传质效果．涂塑钢管也会改进管外流型，即壳层流动的流型．增加管外液体的径向混合，减少壳程的沟流和死区，同时由于接近错流，纤维的传质表面不断更新，壳程的传质系数会进一步增大河北大口径螺旋钢管厂家。滚刀刃麽后，刀齿等分性不好，即刀齿前刃面相对内控中心分布不均匀时，由于滚刀是经过铲背的，会使滚刀切削刃偏离其基本蜗杆的螺旋表面，并使到刀齿齿厚各不相同，滚齿时，就会产生过切和空切现象至使齿形表面出现刀齿的刀痕造成显著的棱边形。

当声波入射到周期性结构时会产生类似光栅· 728 ··46 卷 (2017 年) 11 期 的效应，产生高次衍射模式。因此，广义斯涅耳通过引入合适粘滞耗散提出了损耗型声学超构表[18] 定义可写为面的概念 。当声波正向入射时，由于梯度相位k sin θ = ξ+ nG + k sin θ ，(5)的调制，零阶透射声波按照设定的角度出射，形0 t0 i 其中 ξ= dϕ/dτ 为超构表面提供的切向动量， 成声学导通态( 图11(a)左侧) 。在反向入射的情况， 为超构表面内单元周期长度。在前下，零阶透射声波为倏逝波无法传播，超构表面 G = 2π/Λ Λ 面章节中，只考虑入射声波经超构表面反射和透结构中能量密度急剧增加，在无损耗的情况下， 射的主束(n=0) ，反射和透射声场由超构表面引入最终以高阶衍射模式传播。通过引入合适的粘滞 的相位梯度dϕ/dτ来调控。耗散，加上超构表面结构中的高能量密度，可使考虑超构表面中的周期调制后，如图10(a)结得高次衍射模式的能量大大耗散，最终导致声学 构，由于正向入射和反向入射都垂直于超构表截止态( 图11(a)右侧) 。实验中采用的样品如图11 面，θ = 0 ，正向入射和反向入射情况下的透射(b)下半部分所示，从实验测量的正向和反向声压i 性质完全相同，其透射角与相位梯度的关系为和声强对比可以验证，该损耗型超构表面实现了dϕ声能量的非对称传输。

与之前的相关声非对称传 k sin θ = + nG ，与入射角无关。然而由于引 0 t dτ 入的相位梯度有方向性，当将超构表面倾斜之 后，如图10(b)所示，入射角的透射角为k sin θ = ξ+ nG -k sin θ ，0t +0 i(6)k sinθ =ξ+ nG + k sin θ .0t-0 i 从(6)式可以看出，若不考虑周期调制，当选择合 适的相位梯度 和入射角θ 时，可使得正向和反ξi图10 (a)对称和(b)非对称声传输示意图 向透射角为 k sin θ = ξ-k sin θ < k ， 0t + 0 i 0 k sinθ =ξ+ k sin θ > k . 0t-0 i 0(7) 可以看出，在反向入射 时，不存在透射角，主 束透射声波为倏逝波， 然而由于存在周期调 制 ，透射声波能够以 高 次模式传播 ，如 n = -1 。然而在同样的情 况下，正入射仍以零次 衍射模式传播，n = 0 。 可以证明，在不考虑损 耗的情况下，正向的透 射声能量和反向透射声[18] 能量几乎一致 。

为了实现声能量的 图11 (a)数值模拟得到的声能量非对称传输现象；(b)实验样品和实验测量的声能量非对称传输现象 非对称传输效应，我们·46 卷 (2017 年) 11 期· 729 · 声学专题输系统通需要两个不同功能器件相结合的复杂结注。本文以反射型、吸收型、透射型超构表面为构对比，基于损耗机理的超构表面具有结构简框架，详细探讨了其调控声场的物理机理并展现单、亚波长厚度、平面特性以及可通过旋转样了其操控声场的可靠性和精确性，希望为声学超品调控透射性质等优势。进一步的，调控损耗可构表面的研究者们提供较为清晰的物理图像。为声学超构材料和超构表面的设计提供全新的自然而，在超构表面领域，还有尚需解决的由度，有望设计实现一系列新的声学现象和声诸多问题，如基本单元之间的耦合作用对声场性波调控方式。能的影响；非厄米系统中损耗在超构表面中作用；如何构建超宽带的超构表面结构等。声学超构5 结束语表面的研究正方兴未艾，对拓展声学系统中的新物理概念和研制新型声学器件具有重要指导声学超构表面由于其独特的物理性质和自由意义。调控声波的能力受到了国内外研究者们的广泛关参考文献：：[1] Liu Z et al. Science ，2000 ，289 1734[18] Li Y et al. Phys. Rev. Lett. ，2017 ，119 035501：：[2] Fang N et al. Nat. Mater. ，2006 ，5 452[19] Ma G et al. Nat. Mater. ，2014 ，13 873：：[3] Yang Z et al. Phys. Rev. Lett. ，2008 ，101 204301 [20] Yu N et al. Science ，2011 ，334 333：：[4] Liang Z ，Li J. Phys. Rev. Lett. ，2012 ，108 114301 [21] Li Y et al. Appl. Phys. Lett. ，2012 ，101 233508：：[5] Ma G ，Sheng P. Sci. Adv. ，2016 ，2 e1501595[22] Li Y et al. Appl. Phys. Lett. ，2013 ，103 053505：：[6] Cummer S A et al. Nat. Rev. Mat. ，2016 ，1 16001 [23] Li Y et al. Appl. Phys. Lett. ，2013 ，103 063509：：[7] Li Y et al. Sci. Rep. ，2013 ，3 2546[24] Zhu Y et al. Phys. Rev. X ，2017 ，7 021034：：[8] Zhao J et al. Sci. Rep. ，2013 ，3 2537[25] Li Y ，Assouar B M. Appl. Phys. Lett. ，2016 ，108 063502：：[9] Xie Y et al. Nat. Commun. ，2014 ，5 5553[26] Maa D Y. J. Acoust. Soc. Am. ，1998，104 2861：：[10] Tang K et al. Sci. Rep. ，2014 ，4 6517[27] Zhu X et al. Nat. Commun. ，2016 ，7 11731：：[11] Mei J ，Wu Y. New J. Phys. ，2014 ，16 123007[28] Hefner B T ，Marston P L. J. Acoust. Soc. Am. ，1999，106 3313：：[12] Li Y et al. Phys. Rev. Applied ，2014 ，2 064002 [29] Zhang L ，Marston P L. Phys. Rev. E ，2011 ，84 065601：：[13] Li Y et al. Phys. Rev. Applied ，2015 ，4 024003 [30] Demore C E et al. Phys. Rev. Lett. ，2012 ，108 194301：：[14] Li Y ，Assouar M B. Sci. Rep. ，2015 ，5 17612 [31] Marchiano R ，Thomas J L. Phys. Rev. E ，2005 ，71 066616：：[15] Jiang X et al. Phys. Rev. Lett. ，2016 ，117 034301 [32] Shi C et al. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. ，2017 ，114(28) 7250：：[16] Li Y et al. New J. Phys. ，2016 ，18 043024[33] Jiang X et al. J. Acoust. Soc. Am. ，2017 ，141 EL363：：[17] Qi S et al. Phys. Rev. Applied ，2017 ，7 054006 [34] Ye L P et al. AIP Adv. ，2016 ，6 085007读者和编者《物理》有奖征集为充分体现物理科学的独特之美，本刊编辑部欢迎广大读者和作者踊封面素材跃投寄与物理学相关的封面素材。要求图片清晰，色泽饱满，富有较强的视觉冲击力和很好的物理科学内涵。一经选用，均有稿酬并赠阅该年度 《物理》杂志。请将封面素材以附件形式发至：physics@iphy.ac.cn ；联系电话：010-82649470 ；82649029《物理》编辑部· 730 ··46 卷 (2017 年) 11 期