我校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梁彬和程建春课题组在声波的时空操控方面取得重要进展，提出并构建了一种静态无源的超构声呐器件，首次实现了无需主动控制或机械移动的声束动态扫描。
声束的连续动态扫描是超声成像、水下目标定位和声呐通信等诸多领域的关键需求，而传统方法通常依赖于发射装置的机械扫描或有源相控阵的波束整形，存在成本高、尺寸大、系统复杂及精准操控困难等问题。虽然近年出现的主动式声学超构材料提供了更为简单和高效的声波动态调控方式，其性能仍受制于材料参数的动态调控速度或结构部件的机械响应速度。因此，如何实现无需主动控制或机械移动的高效声束动态扫描仍然是一个挑战性问题。
课题组提出并设计了一种基于无源单层声学超表面的超构声呐器件，实现了在静态系统中产生动态声束的新奇效果，突破了传统声操控机制对主动控制技术和机械移动部件的依赖。这种新型声呐器件由具有深度亚波长厚度的二值化幅值编码单元组合而成，能够将单一声源发射的合成频率束转化为具有相同的频率和空间间隔的声焦点阵列，从而引入频率梯度这一新的声波操控自由度，并通过时空声干涉效应产生可连续旋转的动态扫描声束（图1）。通过严格推导时空干涉声场的解析表达式，系统分析了扫描频率、扫描速度和有效扫描区域等性能参数与空间、频率间隔等系统参数间的量化关系。课题组加工制备了具备结构紧凑、机械强度高、扫描速率快、扫描角度宽等重要优势的超构声呐器件，并实验演示了其在超声频段内的连续声束扫描性能（图2）。此外，该机制与传统的相位梯度调控技术完全兼容，可对扫描声束的空间形态进行任意地调节。基于此，设计了一种高性能超构聚焦声呐器件，并展示了其高空间分辨率和高信噪比的时空声操控效果（图3）。
图1. (a)无源静态超构声呐的工作原理图；(b)超构声呐在不同时刻产生的空间声束；(c)实验系统和超构声呐器件的实拍图；(d-f)入射梳状谱声源中不同频率分量的空间分离结果。
图2. 时空干涉声场的(a)理论计算和(b)数值仿真结果；(c,d)扫描区域内10个探测点位置处实验接收到的时域信号结果；(e,f)相邻两个探测点间的时延。
图3. (a)超构聚焦声呐所产生的动态扫描声束；(b)未引入聚焦调制的超构声呐所产生的动态扫描声束在t = 500T0时的空间分布；(c)两种超构声呐在t = 500T0时刻、x = 50λ0位置处的一维空间声强曲线对比。
基于静态无源超构声呐的声束动态扫描机制为声波的时空调控开拓了新的自由度，为高性能声呐器件的设计提供了新思路，并有望在水下探测和超声诊疗等重要领域产生实际应用价值。
相关研究成果以" Static passive meta-sonar for dynamic sound beam scanning "为题发表于Science Bulletin上[ DOI: 10.1016/j.scib.2023.07.033]，南京大学刘京京副研究员和博士生王未为共同第一作者，梁彬教授、程建春教授和新加坡国立大学的仇成伟教授为论文的共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、南京大学登峰人才计划、江苏高校优势学科建设工程项目等项目支持。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.07.033
【文章来源：南大新闻】