超宽频带声涡旋装置的调制与研究

林梓彬，许卫锴，刘成龙，祁武超

(沈阳航空航天大学 航空宇航学院，沈阳 110136)

超材料(Metamaterial)是一种具有特殊性质的、自然界中不存在的人工材料，通过精心设计材料的几何结构而非改变材料自身成分的方式，使得超材料具有负质量密度和负弹性模量等特性，从而达到波控的目的[1-2]。超表面(Metasurface)作为超材料的一个重要分支，可以看作是超材料轻薄化的结构产物[3]，其最显著的特征就是它的厚度远小于波长，即具有亚波长厚度。因此，相对于三维的超材料来说，超表面不但能显著地节省物理空间，还能大幅降低材料成本。与超材料首先在电磁波领域实现类似，超表面的首次提出也是在光学领域，随即引起了很多科研工作者的关注，并迅速在声学领域设计出几种经典的构型，如迷宫型超表面[4]、亥姆霍斯谐振型超表面[5]及薄膜型超表面[6]。然而，上述超表面往往存在带宽较窄、阻抗失配或者结构脆弱的缺点，因此研究新型的超表面显得尤为重要。2016年，Zhu等[7]设计出嵌入式塔型超表面来实现异常折射，Yuan等[8]利用“鱼骨型”结构实现可调弹性超表面，通过构建不同结构单元的超表面，扩大其应用场景，能够实现更多的功能如自弯曲声束、低频完美吸声、涡旋声束等[9-12]。

随着研究人员对弹性波超表面的深入研究，其更多特性逐渐进入人们的视野，具有螺旋形相位位错的弹性波涡旋场近来受到了大量关注。如同我们日常生活中熟悉的水涡和气涡，弹性波涡旋场也是携带角动量的涡旋现象。……