风可进，雨可进，声音不能进
The wind may enter, the rain may enter, but the sound cannot enter
古代经典《礼记·乐书》记载“凡物动而有声”，人行于道，鸟叫虫鸣，风吹树动，云电击穿，小溪流水，惊涛拍岸，皆生其音，这恰当地说明声音在我们身边无处不在，而对声音的调控和利用也贯穿了人类整个科学史。产业革命以来，各种机械设备的创造和使用，给人类带来了空前的繁荣和进步，改善了人们的生活，但同时也产生了越来越多而且越来越强的声音，干扰人们休息、学习和工作，损伤听力和神经，甚至还能诱发多种致癌致命的疾病。故而任何能够有效调控声波的技术都备受欢迎和重视。
声波的调控依赖于传输媒质的声学性质，质量密度（mass density）和弹性（elasticity）乃媒质能传输声波之必要条件。然而，自然材料的声学性质受自身分子（原子）结构与该尺度层次上组织方式限定，使得这两种对声波传输行为具有决定作用的材料特性的状态范围极为有限，其可发掘利用的潜力空间正随着制备技术水平的提升而逐渐趋于极限。因此要通过改进与提高自然材料声学性质来获得能够自由控制声波传输的功能材料极为不易。近年来，人们发现通过构造某种具有特殊功能的人工微单元来模拟分子对波场的响应，并在微单元尺度层次上形成对声波运动状态的有序调制，可能获得与自然材料声学特性迥然不同的人工复合材料，即为声学超构材料。这好比通过奇特的人造“声学原子”自下而上地生产出“声学材料”。这样的技术极大拓宽了材料声学性质的范围（例如表现为负值的有效质量密度和有效弹性模量），进而产生各种奇特现象和物理效应，如声带隙、负折射、声隐身、声单向等。
目前，声学超构介质的设计大多基于LC型共振单元，例如亥姆赫兹共鸣器、薄膜结构等，其工作机理可类比于“质量块-弹簧”系统的惯性共振，存在损耗高、结构复杂、特异性质有限等不足。类似于将高折射率的介电体纳米颗粒置于空间中构造出新型电磁超构介质，近期《科学》发表理论研究结果，通过将声学“软”质微共振单元嵌入到“硬”质基体材料中可以获得声学Mie单极子和偶极子（例如将空气微泡嵌于水中），进而构造出高性能新型声学超构介质。然而该设想的实验实现需要将软微粒嵌入致密流体介质，注定存在单元微粒有效寿命短、形态稳定性差、难以规则排列等技术限制，极为困难；此外，自然界中尚不存在声速较空气低很多的稳定流体，这也影响了Mie共振单元在重要的空气声调控中的应用。
声学研究者纠结斟酌之后，回过头来去研究有无办法构造出有效声速远低于本体介质的人工超慢单元。这一构想使得问题的解决变得明朗和简单。人工微结构科学与技术协同创新中心的刘晓峻教授研究组在对这一声学Mie共振的物理进行了定性分析后，提出一个简单方案来解决这一问题。他们利用高对称性折叠空间结构中低有效声速效应来构建具备超慢声速的流体微单元，并通过3D立体成型技术制作了高质量的人工Mie共振单元，其空间结构如图1所示。有趣的是，这种“八卦迷宫”的结构具备远低于空气的有效声速，可激发强烈的声学Mie共振，并且展现出丰富的单极子、偶极子、四极子、八极子等一系列经典的Mie共振模式。这些人工产生的Mie共振模式完全依赖于微单元的结构构型，易于调节，并且历久不衰、形态稳定、排列规整，这些特点为声学Mie共振的产生和应用提供了一种巧妙的方式。而对该单元进一步的研究结果表明，单极子Mie共振可以产生负的有效体模量，而偶极子Mie共振则会实现负的有效动态质量密度（见图2）。
以小尺寸结构有效屏蔽大波长低频声波是声学研究中的难题，传统方法屏蔽低频声波需要致密且极厚的隔声体，难以实现。课题组将这种单元的Mie共振效应和单负有效声学参数应用于低频声波屏蔽中，构建了一种亚波长厚度、大单元间隔的超稀疏超表面，成功获得了低频声波的强反射效果（见图3），其巧妙的效应是：在对入射声场产生响应时，由于微单元的强烈Mie共振，单元附近的空气媒质呈现出聚焦于中心的径向振动模式，形似黑洞。如此一来，在超表面前方附近就形成了一个极薄的振速近零区域，类似于一堵看不见摸不着的理想硬墙，由此将声音有效反射回去。因此，虽然单元厚度远小于波长且单元之间可以存在较大间隔，风雨皆可畅通无阻，而独独声音不可通过。
该结果为突破传统声学理论中低频隔声需要大厚度、无间隔、高密度固体层的限制提供了一种新方法。相关研究成果以《基于人工Mie共振的超稀疏声学超表面及低频声波强反射》（Ultra-sparse metasurface for high reflection of low-frequency sound based on artificial Mie resonances）为题于2015年9月1日在线发表在国际权威学术杂志《自然·材料》（Nature Materials, http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4393.html , DOI:10.1038/nmat4393）上。论文在评审过程中得到多位审稿人的高度肯定，尤其是该工作首次实现了空气声的人工Mie共振单元，在超分辨率声成像、低频声滤波、超声无损检测等方面有望得到重要应用。一位审稿人评论到“该工作为构建人工Mie共振开辟了新的途径，有望在诸如声屏障和声隧道传输等方面得到应用。(This work has opened a new route for constructing artificial Mie resonances, which can be used for applications like sound blocking and sound wave tunneling.)”。
程营副教授为论文的第一作者，刘晓峻教授为论文的通讯作者。该项工作得到国家重大科学研究计划（2012CB921504）、人工微结构科学与技术协同创新中心、国家自然科学基金和教育部博士点基金优先发展领域项目的支持。
图1：超表面单元的几何设计和物理模型。a，采用3D打印技术制作的样品单元照片。b，单元横截面示意图。c，单元等效物理模型，可产生人工单极子、偶极子、四极子、八极子和第二单极子模式。
图2：等效声学参数。a，等效体模量。b，等效动态质量密度。阴影区域标示有效参数为负值的频率区间。
图3：利用亚波长厚度、大单元间隔的超稀疏超表面屏蔽低频声波示意图。其“风可进、雨可进、声音不能进”的特点一目了然。