水下声学超构栅格：基于逆向设计的多功能操控

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撰稿| 由课题组供稿

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导读

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水下超构声栅在水下通信、人体健康检测等空气中声波无法做到的各种应用场景中具有实质性的优势，且发挥着不可替代的作用。在许多与水声相关的工业应用中，如声纳、换能、海洋声学和生物声学，对声信号沿指定方向的可操纵和可控传输提出了很高的要求，并且希望采用占用空间少的平面型声学装置，结构尽可能简单并且操控效率尽可能高。同时，科学家和工程师在实际应用中经常遇到的逆向设计问题期待一个更简单的解决方案。近日，华南理工大学的梅军教授课题组，利用水下声学超构栅格（Metagratings for Waterborne Sound），提出了一种水下声波多功能衍射的逆向设计方法。该方法通过衍射分析和遗传算法辅助的优化过程，可以真实且迅速地产生预期的波前操纵效果。各种声波衍射功能，包括完美波束分裂，高效率异常反射和透射，高效率回反射，以及高度非对称透射响应，都明确地验证了该方法的可行性。相关成果以“Metagratings for Waterborne Sound: Various Functionalities Enabled by an Efficient Inverse-Design Approach”为题发表在《Physical Review Applied》杂志上。梅军教授为该工作的通讯作者，博士生凡利娟为论文第一作者，华南理工大学为论文第一署名单位。

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创新研究

该课题组系统地研究了一类仅由铁圆柱体构成的二维超构声栅，提出了一种可行的逆向设计方法，通过衍射分析和遗传算法辅助设计，实现预期的波前调控效果。众所周知，对于半径远小于波长的圆柱形散射体，散射体间的相互作用由零阶(n = 0)和一阶(n = 1) Bessel和Hankel 函数足以描述，但是对于半径与波长可比拟的散射体，需要考虑更复杂更高阶(n ≥ 2)的模式。同时，由于水和铁的声学阻抗比值有限，需要考铁圆柱体内的横波模式和纵波模式，这就比标量波散射问题更为复杂。再加上周期性排列的散射体之间的多重散射效应，更加使得传统的解析方法面对这样的逆向设计问题事倍功半。

有鉴于此，该课题组在衍射分析的基础上，采用遗传算法(GA)对声学超构格栅进行优化设计。在设计时，将有待实现的声波操控功能作为“输入端”，针对不同的操控功能合理地设置相对应的目标优化函数，借助于进化算法快速得到超构格栅的各种参数（包括散射体的半径及位置等）作为“输出端”，一步到位实现所期望的波前操控。传统的优化算法通常需要一个表现良好的“初始解(initial guess)”作为优化的起点，该初始解通常来自于复杂的理论分析，这在实际应用中对工程师提出了较高的要求。而该方法跳过了“初始解”这个中间步骤，从“输入（需求）”到“输出（设计）”一步即可完成，大大地方便了实际应用场合中的科技工作者。

基于这种高效逆向设计原理，该课题组实现了完美波束分裂(图1)，异常反射和回反射(图2)，自由形式的异常反射和透射(图3)，以及高效率非对称声传输(图4)等多个功能。

图文速览

图1：具有完美分束功能的超构声栅；（a）结构示意图；（b）θ = ±60°时的散射波压强场和铁圆柱内应力场分布；（c）三个反射通道的衍射率图；（d）高斯波束正入射的总压强场分布。

图2：实现异常反射功能的超构声栅；(a)结构示意图；(b), (c)和(d) θ = ±60°时的散射波压强场和铁圆柱内应力场分布；(e),(f)和(g)高斯波分别沿端口R0, R1和R-1入射的总压强场分布；(h), (i)和(j)平面波分别沿端口R0, R1和R-1入射的三个反射通道的衍射率图。

图3：实现异常折射功能的超构声栅，可对反射波和透射波同时调控；(a)反射功能结构示意图；(b)和(c) θ = 45°时高斯波入射的散射波压强场和总压强场分布；(d)六个通道的衍射效率图；(e)透射功能结构示意图；(f)和(g) θ = 45°时高斯波入射的散射波压强场和总压强场分布；(h)六个通道的衍射效率图。

图4：高效非对称传输响应；(a)结构示意图；(b)衍射效率图；(c)和(d)高斯波分别沿+y和-y方向入射的总压强场分布。

总 结

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本工作提出了适用于水下应用场景的声学超构栅格，以及一种高效的逆向设计方法。所设计的超构栅格结构很简单，仅包含铁圆柱体，通过遗传算法优化辅助设计，能实现对声波波前的多功能调控。这种简化设计的平面型声学器件，以及所提出的逆向设计方法，希望能对水下声波操控的实际应用，提供有价值的参考方案。

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阅读原文

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.044003​doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.044003

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