南京大學物理學院聲學研究所、近代聲學教育部重點實驗室、人工微結(jié)構(gòu)科學與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心楊京、梁彬和程建春等人在聲超表面聲場調(diào)控及其應(yīng)用研究領(lǐng)域取得重要進展，創(chuàng)新性地提出了一種超材料賦能的新型聲學相控陣，實現(xiàn)了高精度動態(tài)多點聲聚焦和亞波長聲成像，成功突破了傳統(tǒng)聲學相控陣的操控復雜性和聲場分辨率無法兼容的瓶頸。相關(guān)研究成果以“Dynamic and High-Precision Sound Manipulation by Acoustic Metamaterial-Empowered Phased Arrays”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials。

目前廣泛用于實時動態(tài)聲場調(diào)控的相控陣（Phased Arrays，PAs）技術(shù)受限于陣列元件的性能，尺度通常大于波長的傳統(tǒng)陣元只能近似為線聲源，這將導致聲源和目標聲場間相位失配并引起空間混疊效應(yīng)，嚴重影響相控陣所生成聲場的分辨率。而傳統(tǒng)相控陣分辨率的提升必然伴隨著系統(tǒng)復雜度和制造成本的急劇上升。近年來，聲學超構(gòu)材料（Acoustic Metamaterials，AMs）的出現(xiàn)使人們能通過巧妙設(shè)計的亞波長人工結(jié)構(gòu)，以無源方式實現(xiàn)低成本且高精度的復雜波前操控。然而，多數(shù)聲學超構(gòu)材料一經(jīng)制造則無法動態(tài)調(diào)整其聲學功能，極大限制了其在實際應(yīng)用中的靈活性。因此，如何將現(xiàn)有相控陣技術(shù)的動態(tài)操控能力與聲學超材料的精細調(diào)節(jié)優(yōu)勢相結(jié)合，進而實現(xiàn)簡單、靈活且精準的聲場重構(gòu)仍然是一個亟待解決的難題。

針對上述科學問題，課題組從理論上提出了一種超材料賦能的新型相控陣（Metamaterial-empowered PA，MPA）（圖1），該相控陣由多個結(jié)構(gòu)相同的超構(gòu)換能器陣元組成，其中每個陣元均采用超表面層-換能元件層的雙層復合結(jié)構(gòu)。通過引入基于混合共振機制的聲學超表面形成滿足多極子模型的相位掩膜，利用其高透射精準相位調(diào)控能力產(chǎn)生具有高輻射效率的等效點聲源，以確保聲源與目標聲場的完美相位匹配，最終實現(xiàn)聲場的高保真實時重構(gòu)。這一突破性設(shè)計在大幅度降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜度的同時，顯著提升了聲場操控精度和動態(tài)響應(yīng)速度，通過有效消除空間混疊效應(yīng)實現(xiàn)了高精度動態(tài)聲場操控，能夠用簡單結(jié)構(gòu)產(chǎn)生達到分辨率極限的聲場操控精度。

基于此，課題組將這一技術(shù)應(yīng)用于兩個典型場景：高精度多點聲聚焦和亞波長聲成像。在多點聲聚焦應(yīng)用中（圖2），得益于超表面的相位精確調(diào)控優(yōu)勢，MPAs在實現(xiàn)動態(tài)調(diào)控焦點位置的同時，將聲聚焦的空間分辨率較傳統(tǒng)PAs提升了65%。針對亞波長聲成像問題，課題組對具有不同間隙（0.3λ-0.6λ）的雙縫結(jié)構(gòu)進行動態(tài)掃描成像（圖3）。由圖可看出，MPAs能夠清晰分辨間距0.3λ（達到衍射極限）的狹縫且呈現(xiàn)出精細的成像細節(jié)，在成像效果和分辨率方面遠超傳統(tǒng)PAs。實驗測量和數(shù)值仿真結(jié)果一致驗證了所設(shè)計的超構(gòu)換能器能夠在以上應(yīng)用場景中實現(xiàn)高精度動態(tài)波前操控。該技術(shù)創(chuàng)造性地融合了聲學超表面的高精度相位調(diào)控優(yōu)勢和有源相控陣的動態(tài)調(diào)控能力，克服了傳統(tǒng)相控陣和靜態(tài)超材料的局限性，為復雜聲場操控領(lǐng)域提供了全新的技術(shù)路徑，有望在粒子操縱、醫(yī)學成像和無損檢測等實際場景中產(chǎn)生重要應(yīng)用。

圖1.高精度動態(tài)聲波操控的工作機制。(a)PAs和MPAs聲波操控原理示意圖；(b)MPAs、AMs和PAs的性能對比；(c)超構(gòu)換能器聲學多極子模型；(d)MPAs超構(gòu)單元結(jié)構(gòu)。

圖2.MPAs和PAs的聲聚焦性能對比。(a)從(0，1λ)到(0，8λ)的縱向聚焦掃描;(b)從(−4λ，4λ)到(4λ，4λ)的橫向聚焦掃描;(c)實驗裝置示意圖;(d)(0，3λ)、(0，5λ)和(λ，3λ)三種焦點位置處的聲壓幅值分布圖。

圖3.亞波長聲成像。(a)實驗裝置示意圖；(b)MPAs和PAs的亞波長（0.3λ-0.6λ）成像效果。

南京大學物理學院博士研究生陳安和夏一飛為共同第一作者，南京大學物理學院楊京副教授、梁彬教授和程建春教授為共同通訊作者。該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、南京大學登峰人才計劃、江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程項目、南京大學AI for Science等項目支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202425833