一种多功能声学透镜，可同时从几何和波动声学角度操控声波

来源：科技导报

原标题：香港理工大学祝捷团队和同济大学李勇团队提出一种多功能声学透镜，可同时从几何和波动声学角度操控声波

近日，香港理工大学祝捷副教授课题组和同济大学李勇研究员课题组基于保角变换方法设计了一种多功能声学透镜，可以同时实现在几何和波动声学领域对声波的操控。相关研究以“Conformally Mapped Multifunctional Acoustic Metamaterial Lens for Spectral Sound Guiding and Talbot Effect”为题，发表在Research（2019，DOI: 10.34133/2019/1748537）上。

研究背景

声学超材料具有新颖的特性，拓宽了声学研究的范围并提供了更多操纵声波的可能性。变换声学是一种被广泛用来设计声学超材料的方法，但需要各向异性的复杂的材料参数，这在实验中很难获得。而保角变换声学只需要具有梯度折射率分布的各向同性的材料，降低了对材料参数的要求，因此该方法在声学超材料的设计中具有很大的优势，同时提供了一种更灵活的方法来操控声波。

研究进展

近日，香港理工大学祝捷副教授课题组和同济大学李勇研究员课题组基于保角变换方法设计了一种多功能声学透镜，可以同时实现在几何和波动声学领域对声波的操控。该透镜的折射率分布是由鱼眼透镜经过保角变换得到的, 折射率由中心向两端逐渐递减（图1）。当声源由左端入射至透镜，声波将被引导沿着类正弦曲线传播（L为周期，图1）。

图1  Mikaelian透镜的原理图

透镜是由一系列开口的管道排列组合而成，开口的大小用来调控折射率分布（图2（a））。首先从几何声学角度出发，入射声源选择为衍射艾里波束。当声波由左侧入射至该透镜时，波束将沿着类正弦曲线传播（图2（b））。此外，从波动声学角度出发，在平面波入射声源和透镜中间放置一栅格来产生周期性声源。在半周期整数倍的位置，周期性入射声源会被重现，也即Talbot效应（图2（c））。

图2  实验样品Mikaelian透镜及波束引导和Talbot效应

基于保角变换声学设计的Mikaelian透镜，可以同时实现对声波在几何声学和波动声学领域的调控。在此多功能透镜内，波束引导和Talbot效应在一定的频率范围内均可观测到。可看出，保角变换声学是一个非常强大的工具，可用来探索并实现更多有意义的声学现象。此外，该方法可拓展至其他研究领域，对基础研究及实际应用均具有重要的意义。

作者简介

李勇，同济大学声学研究所特聘研究员。主要研究兴趣包括声功能材料，非厄米声学，轻薄宽频吸声结构/声衬。

祝捷，香港理工大学机械工程系副教授。主要研究领域包括结构声学材料，声学超构材料，声学成像技术与系统。