近年來，聲學超材料成為操控聲波傳播路徑的有力手段，為人們實現各類奇異的聲場調控提供了新思路。在針對聲場調控的器件實現中，其所需的聲學參數往往隨著空間位置的變化而變化，這對聲學超材料的參數調控能力提出了挑戰。
為了適應不同的聲場調控需求，中國科學院聲學研究所噪聲與音頻聲學實驗室的博士畢亞峰和博士研究生周萍及其導師楊軍研究員、賈晗研究員等人提出了一種獨立調控質量密度和體積模量的聲學超流體。研究人員準確推導了該聲學超流體的等效聲學參數，通過仿真和實驗驗證了理論的準確性以及對聲學參數的獨立調控能力，并利用該超流體實現了阻抗匹配的水下梯度透鏡和水下隱身毯。相關研究成果發表于國際學術期刊 Materials & Design（Top 1區，IF = 8.4）。
研究人員通過將空心正多邊形結構周期排列在水中，構建了二維聲學超流體。 借助有效介質理論，聲學超流體的等效質量可表示為各組分的平均質量，其等效模量則取決于背景介質和空心正多邊形在均勻負載下的截面形變。根據得到的聲學參數表達式，聲學超流體的質量密度和體積模量可以被快速和準確地進行調控。研究人員進一步設計了兩組不同幾何構型和材質的聲學超流體，驗證了其對質量密度和體積模量的獨立調控能力。在此基礎上，研究人員利用該聲學超流體設計和實現了阻抗匹配型的水下梯度透鏡和水下聲學隱身毯，并通過仿真和實驗驗證了其在寬頻范圍內的有效性。
本次工作中所提出的聲學超材料極大地拓展了水下聲學超材料的適用性，有望推廣到水下探測與隱身、生物醫學超聲成像和基于阻抗匹配的聲學通信等實際應用中。
該研究得到了廣東省重點領域研究開發項目（No.2020B010190002）、國家自然科學基金（No.11874383, No.12104480）、聲學研究所前沿探索項目（No. QYTS202110）的資助。
圖1?空心構型超流體的幾何構型和獨立調控示例（圖/中國科學院聲學研究所）
圖2?阻抗匹配型梯度透鏡的仿真和實驗驗證（圖/中國科學院聲學研究所）
關鍵詞：
獨立調控 空心構型 阻抗匹配 梯度透鏡 隱身毯
參考文獻：
Yafeng Bi, Ping Zhou, Han Jia, Fan Lu, Yuzhen Yang, Yimeng Zhang, Peng Zhang, Jun Yang. Acoustic metafluid for independent manipulation of the mass density and bulk modulus. Materials & Design, 233 (2023) 112248. DOI:10.1016/j.matdes.2023.112248.