Advanced Materials Technology:水下声波负折射及声成像

负折射是超材料典型的奇异特性之一。它表明折射波和入射波在界面法线的同一侧,为人们操控波传播提供了新的思路。具有声波负折射率性质的结构材料在电磁波和声波的聚焦、亚波长成像和隐身等方面具有重要的应用价值。目前,关于声波的负折射的实现原理通常是基于能带折叠原理的声子晶体,以及具有双负性质(负体积模量和负质量密度)的声学超材料。基于局域共振效应的超材料因能在亚波长尺度操控声波而受到广泛研究。然而,利用声波超材料实现声波负折射及亚波长成像还存在很大的局限性。首先,关于声波负折射的研究多集中于空气中的声波,水声的负折射鲜有报道。其次,一些方案比如使用浸入水中的多孔软硅颗粒虽然会形成水声负折射,但是阻尼对共振的衰减性使其难以真正用于声波的聚焦和亚波长成像。因此,水下声波的负折射的实现和应用依旧是一个难题。

水中的气泡作为一种最简单的声学超材料,具有独特的声学性质。中科院化学所宋延林课题组多年来集中于对气泡、液滴等流体中气液界面的精确控制,制备了多种气泡声学超材料,并探索了多种声学应用。比如,控制Cassie态和Wenzel态交替出现的方法制备气泡阵列(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 12, 1757)实现了水下反射超表面的构建;利用疏水3D疏水结构捕获气泡构建了三维气泡声子晶体,首次验证了其超宽的声子带隙性质(Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1906984);在水面附近构建气泡层,作为“声窗”来增强水下和水上的声波通讯 (Research, 2021, 2021, 9757943),以及依据荷叶表面结构形成的特殊微米气层,预测并验证了超疏水结构的声波增透新效应(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 53242-53251)。最近,中科院化学所宋延林团队构建了一种水下弹性壳封装的气泡声学超材料,其对声波的负折射效果可以用作声波透镜来聚焦声波,从而实现水下声波的亚波长成像。

根据水下气泡阵列的单极共振可实现负体积模量,而固体结构的偶极共振可以实现负质量密度的原理,作者提出了使用水下弹性壳封装气泡结构实现水下超声波的负折射的方法。对于3D 情况,此超材料是 3D 阵列的有核壳的球形气泡。而对于二维情况,超材料应该是空心弹性管的二维阵列。考虑到实验的可行性,他们主要讨论了二维案例,如图1所示。此超材料由柔软的空心橡胶管以六角形晶格排列浸入水中而形成的。其声学带隙计算结构如图1c所示,红色方框中较低的声子带隙的负斜率区域就代表着负的群速度,即是可实现声波负折射的波段。

图1. 负折射气泡声学超材料的结构及其声学性能

要实现声波的聚焦和高质量亚波长成像,除了负折射外,还需要满足两个条件。首先,其第一布里渊区负带的等频轮廓在 2D 中应该是圆形的,在 3D 中应该是球形的。其次,其有效折射率需要等于-1,这意味着超材料和外部介质中的波矢量需要在大小上相同。图2模拟计算结果表明,声波在27620 Hz处,可以同时满足这两个条件,并可实现声波的高质量成像。

图2声波聚焦的条件及高质量成像

他们进一步利用数值计算讨论了固体结构中热粘性损失和阻尼对成像的影响,指出阻尼会导致声音吸收并降低成像的分辨率。通过结构参数优化,此结构还可以有效降低吸收损耗,实现声像。最后,他们使用空心硅管阵列通过实验验证了约 31 kHz 的超声焦点,如图3 所示。由于硅管可以使用成熟的聚合物成型工艺制备,因此该方法有望用于大规模制造和应用。因此,本工作为水声成像提供了一种有前景的新思路。

图3. 声学成像实验验证与模拟

论文的第一作者为中国科学院化学研究所蔡哲仁博士,通讯作者是加拿大西安大略大学博士后黄占东和中科院化学所宋延林研究员。

原文链接:

Negative Refraction Acoustic Lens Based on Elastic Shell Encapsulated Bubbles

Zheren Cai, Shengdong Zhao, Zhandong Huang*, Zheng Li, Meng Su, Zeying Zhang, Zhipeng Zhao, Yanlin Song*

Advanced Materials Technology

DOI: 10.1002/admt.202101186

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202101186