郝潇潇 王 真 赵志高 沈 敏

(1 武汉纺织大学机械工程与自动化学院 武汉 430200)

(2 武汉第二船舶设计研究所 武汉 430205)

0 引言

常见的声学超材料通常需要有一定数量的微结构周期排布才能实现其特殊功能，存在成本高、体积大、损耗大和带宽窄等缺点。而声学超表面[1−2]凭借亚波长厚度的人工超薄结构，理论上能够实现对声波传播路径的任意调控，如异常反射、异常折射和声波完美吸收等[3]，是声学超材料的重要分支，对于空间受限的应用领域具有重要价值。

声学超表面的理论基础是广义斯奈尔定律(the generalized Snell’s law)[4]。2011年，哈佛大学的Federico Capasso课题组在《Science》上发表了广义斯奈尔定律，通过设计界面处的相位突变实现了对电磁波反射(折射)的任意调控[4]。2013年，Li等[1]将广义斯奈尔定律应用到声学，通过声波入射表面上的特殊人工结构调节界面处的相位梯度，实现波阵面的调控。目前较为常见的声学超表面人工结构主要为折叠空间结构[1,5]和亥姆赫兹共振腔结构[6]，均可实现透射式或反射式的声学超表面，但是这类结构基于共振机理，存在频率依赖性，具有较窄的带宽。因此，为实现对声波的宽频和高效调控，2015年，Tian等[7]依据广义斯奈尔定律，借助五模材料优良的宽频特性[8]以及与环境介质的阻抗匹配特性，设计了五模声学超表面，通过调控超表面的速度梯度分布实现了声波异常折射、亚波长平面聚焦等多种波阵面调控。2019年，Liu等[9]进一步仿真验证了五模超表面的声波异常折射、平面聚焦和平面波转换能力。……