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物理学院程建春课题组在Appl. Phys. Lett.发表封面文章

图2为数值模拟和实验测量结果的对比,可以看出所设计的声学通道可以对两个相反方向入射的声波实现高效的单向操控,验证了上述设计思想的正确性。这种声学概念性器件为声学单向器件的设计带来了新的可能性,有望在管道噪声控制、隔声窗设计及建筑声学等重要场合产生广泛应用。

图2数值模拟和实验结果:正向和反向的声压场分布

声波的单向操控是近年来的一个研究热点。然而,传统的声学单向传输通常是通过在声路径上放置一层特殊设计的体材料(例如声子晶体、声栅格或其他声学超构材料)来实现。这将不可避免的导致声路径受到部分或完全的阻塞,造成背景媒质的间断。若能在实现声学单向传输的同时允许其它物体(如背景媒质或其他能量流)通过,达到通风或可视的特殊效果,不仅对声单向操控的研究领域有着重要科学意义,更将具有广阔的应用前景。

该项工作得到国家重大科学研究计划、人工微结构科学与技术协同创新中心、国家自然科学基金等重大科研项目的支持。

为解决传统设计中声路径受到阻塞的难题,课题组采用了一种全新的物理机制,巧妙地在通道内壁上敷设了声学超常表面,利用其特殊的反射特性对通道中声波的路径产生了不对称的操控。超表面是近年来新出现的光学/声学元件,通过引入相位和振幅的突变,可实现对光波/声波的丰富操控方式。本设计中采用了课题组先前提出的一种具有简单构造方式及高分辨率的声学超表面结构[Sci.
Rep. 5, 10966
],通过在平面下设计一系列深度受到调制的亚波长单元来实现表面相位的精确调控。声学单向隧道一侧的壁面上包含两种不同梯度的超表面组合,可对沿两个方向正入射的平面声波实现非对称的异常反射,其路径可以利用解析方法来定量分析。通过对结构参数进行适当设计,可在该声学隧道中实现正向入射声波可以穿透、而反向入射声波基本被反射的单向效果。

图1声学单向隧道示意图利用超表面实现非对称传播的原理示意

最近,南京大学物理学院声学研究所程建春课题组在声学单向传播研究方面取得进展,
最新工作于2015年9月14日作为封面文章(Featured Article)在Appl.
Phys. Lett.
发表 [Appl. Phys. Lett. 107, 113501
]。论文第一作者为博士生朱一凡。共同通信作者是梁彬教授。该工作提出了
“声学单向隧道” (Acoustic one-way
tunnel)的设计思想,首次在一个完全连通的、具有平直形状内壁的通道中实现了声波的单向传输,并成功的制备了原理性器件。

(物理学院 程建春 科学技术处)

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