图1.高精度动态声波操控的工作机制。(a)PAs和MPAs声波操控原理示意图;(b)MPAs、AMs和PAs的性能对比;(c)超构换能器声学多极子模型;(d)MPAs超构单元结构。
南京大学物理学院声学研究所、近代声学教育部重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心杨京、梁彬和程建春等人在声超表面声场调控及其应用研究领域取得重要进展，创新性地提出了一种超材料赋能的新型声学相控阵，实现了高精度动态多点声聚焦和亚波长声成像，成功突破了传统声学相控阵的操控复杂性和声场分辨率无法兼容的瓶颈。相关研究成果以“Dynamic and High-Precision Sound Manipulation by Acoustic Metamaterial-Empowered Phased Arrays”为题发表于Advanced Functional Materials。
目前广泛用于实时动态声场调控的相控阵(Phased Arrays，PAs)技术受限于阵列元件的性能，尺度通常大于波长的传统阵元只能近似为线声源，这将导致声源和目标声场间相位失配并引起空间混叠效应，严重影响相控阵所生成声场的分辨率。而传统相控阵分辨率的提升必然伴随着系统复杂度和制造成本的急剧上升。近年来，声学超构材料(Acoustic Metamaterials，AMs)的出现使人们能通过巧妙设计的亚波长人工结构，以无源方式实现低成本且高精度的复杂波前操控。然而，多数声学超构材料一经制造则无法动态调整其声学功能，极大限制了其在实际应用中的灵活性。因此，如何将现有相控阵技术的动态操控能力与声学超材料的精细调节优势相结合，进而实现简单、灵活且精准的声场重构仍然是一个亟待解决的难题。
针对上述科学问题，课题组从理论上提出了一种超材料赋能的新型相控阵(Metamaterial-empowered PA，MPA)(图1)，该相控阵由多个结构相同的超构换能器阵元组成，其中每个阵元均采用超表面层-换能元件层的双层复合结构。通过引入基于混合共振机制的声学超表面形成满足多极子模型的相位掩膜，利用其高透射精准相位调控能力产生具有高辐射效率的等效点声源，以确保声源与目标声场的完美相位匹配，最终实现声场的高保真实时重构。这一突破性设计在大幅度降低系统结构复杂度的同时，显著提升了声场操控精度和动态响应速度，通过有效消除空间混叠效应实现了高精度动态声场操控，能够用简单结构产生达到分辨率极限的声场操控精度。
基于此，课题组将这一技术应用于两个典型场景：高精度多点声聚焦和亚波长声成像。在多点声聚焦应用中(图2)，得益于超表面的相位精确调控优势，MPAs在实现动态调控焦点位置的同时，将声聚焦的空间分辨率较传统PAs提升了65%。针对亚波长声成像问题，课题组对具有不同间隙(0.3λ-0.6λ)的双缝结构进行动态扫描成像(图3)。由图可看出，MPAs能够清晰分辨间距0.3λ(达到衍射极限)的狭缝且呈现出精细的成像细节，在成像效果和分辨率方面远超传统PAs。实验测量和数值仿真结果一致验证了所设计的超构换能器能够在以上应用场景中实现高精度动态波前操控。该技术创造性地融合了声学超表面的高精度相位调控优势和有源相控阵的动态调控能力，克服了传统相控阵和静态超材料的局限性，为复杂声场操控领域提供了全新的技术路径，有望在粒子操纵、医学成像和无损检测等实际场景中产生重要应用。
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图2.MPAs和PAs的声聚焦性能对比。(a)从(0，1λ)到(0，8λ)的纵向聚焦扫描;(b)从(−4λ，4λ)到(4λ，4λ)的横向聚焦扫描;(c)实验装置示意图;(d)(0，3λ)、(0，5λ)和(λ，3λ)三种焦点位置处的声压幅值分布图。
图3.亚波长声成像。(a)实验装置示意图;(b)MPAs和PAs的亚波长(0.3λ-0.6λ)成像效果。
南京大学物理学院博士研究生陈安和夏一飞为共同第一作者，南京大学物理学院杨京副教授、梁彬教授和程建春教授为共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、南京大学登峰人才计划、江苏高校优势学科建设工程项目、南京大学AI for Science等项目支持。
