氣泡聲學超材料實現水下聲波負折射及亞波長成像

負折射是超材料典型的奇異現象之一。它表明折射波和入射波在介面法線的同一側，為人們操控波傳播提供了新的思路。具有聲波負折射率性質的結構材料在電磁波和聲波的聚焦、亞波長成像和隱身等方面具有重要的應用價值。目前，關於聲波的負折射的實現原理通常是基於能帶摺疊原理的聲子晶體，以及具有雙負性質（負體積模量和負質量密度）的聲學超材料。基於局域共振效應的超材料因能在亞波長尺度操控聲波而受到廣泛研究。然而，利用聲波超材料實現聲波負折射及亞波長成像還存在很大的侷限性。首先，關於聲波負折射的研究多集中於空氣中的聲波，水聲的負折射鮮有報道。其次，一些方案比如使用浸入水中的多孔軟矽顆粒雖然會形成水聲負折射，但是阻尼對共振的衰減性使其難以真正用於聲波的聚焦和亞波長成像。因此，水下聲波的負折射的實現和應用依舊是一個難題。

水中的氣泡作為一種最簡單的聲學超材料，具有著獨特的聲學性質。作者多年來集中於對氣泡、液滴等流體中氣液介面的精確控制，製備出了多種氣泡聲學超材料，並實現了多種聲學應用。比如，他們控制Cassie態和Wenzel態交替出現的方法制備氣泡陣列（

ACS Appl。 Mater。 Interfaces

， 2019， 12， 1757）實現了水下反射超表面的構建；利用疏水3D疏水結構捕獲氣泡構建了三維氣泡聲子晶體，首次驗證了其超寬的聲子帶隙性質（

Adv。 Funct。 Mater。

2019， 29， 1906984）；在水面附近構建氣泡層，作為“聲窗”來增強水下和水上的聲波通訊 （

Research

， 2021， 2021， 9757943），以及依據荷葉表面結構形成的特殊微米氣層，預測並驗證了超疏水結構的聲波增透新效應（

ACS Appl。 Mater。 Interfaces

， 2021， 13， 53242-53251）；最近，他們構建了一種水下彈性殼封裝的氣泡聲學超材料，其對聲波的負折射效果可以用作聲波透鏡來聚焦聲波，從而實現水下聲波的亞波長成像。

根據水下氣泡陣列的單極共振可實現負體積模量，而固體結構的偶極共振可以實現負質量密度的原理，作者提出了使用水下彈性殼封裝氣泡結構實現水下超聲波的負折射的方法。對於3D 情況，此超材料是 3D 陣列的有核殼的球形氣泡。而對於二維情況，超材料應該是空心彈性管的二維陣列。考慮到實驗的可行性，他們主要討論了二維案例，如圖1所示。此超材料由柔軟的空心橡膠管以六角形晶格排列浸入水中而形成的。其聲學帶隙計算結構如圖1c所示，紅色方框中較低的聲子帶隙的負斜率區域就代表著負的群速度，即是可實現聲波負折射的波段。

圖1。 負折射氣泡聲學超材料的結構及其聲學效能

要實現聲波的聚焦和高質量亞波長成像，除了負折射外，還需要滿足兩個條件。首先，其第一布里淵區負帶的等頻輪廓在 2D 中應該是圓形的，在 3D 中應該是球形的。其次，其有效折射率需要等於-1，這意味著超材料和外部介質中的波向量需要在大小上相同。圖2模擬計算結果表明，聲波在27620 Hz處，可以同時滿足這兩個條件，並可實現聲波的高質量成像。

圖2聲波聚焦的條件及高質量成像

作者還進一步利用數值計算討論了固體結構中熱粘性損失和阻尼對成像的影響，指出阻尼會導致聲音吸收並降低成像的解析度。而且，透過結構引數最佳化，此結構還可以有效降低吸收損耗，實現聲像。最後，作者使用空心矽管陣列透過實驗驗證了約 31 kHz 的超聲焦點。如圖3 所示。由於矽管可以使用成熟的聚合物成型工藝製備，因此該方法有望用於大規模製造和實際應用。因此，本工作為水聲成像提供了一種有前景的思路。

相關研究論文以“Negative Refraction Acoustic Lens Based on Elastic Shell Encapsulated Bubbles”為題於2022年3月2日發表在期刊

Advanced Materials Technology

上。論文的第一作者為中國科學院化學研究所

蔡哲仁

博士，通訊作者是加拿大西安大略大學博士後

黃佔東

，以及中科院化學所

宋延林

研究員。