以下文章来源于AMS力学学报英文版,作者AMS力学学报英文版编辑荐语声波调控在声呐探测、无损检测、生物医学成像等领域发挥着重要的作用。如何采用小尺寸可调结构控制宽频声波是实现高性能声调控的关键。现有声调控材料主要基于Snell定律或共振原理，难以针对不同频率声波突破性能调控边界。来自北京理工大学的张凯教授团队基于广义Snell定律创新性地提出了宽频可调声波超表面，并据此建立了超表面声波调控理论模型，在不同频率下实现了异常声反射和声聚焦。研究成果提出了可调声结构单元，发展了可调微结构单元几何参数的设计方法，为小型化声呐探测与无损检测装置中的声学波导材料设计提供了结构基础与理论支撑。陈玉丽，北京航空航天大学CitationPeixin Han, Zhanyu Li, Yonghui Zhang, Xiaoming Zhou, Dongwei Wang, Kai Zhang. Broadband tunable acoustic metasurface based on Helmholtz resonators. Acta Mech. Sin. 41, 124531 (2025). https://doi.org/10.1007/s10409-024-24531-x01研究背景在现代声学技术的研究中，如何精准操控声波，一直是科学家们关注的焦点。声波操控对于水下通信、环境降噪、精密医疗等领域具有重要的工程价值。然而，传统的声学材料受限于固定结构，难以灵活调整声波传播特性。为了解决这一难题，研究者们不断探索新的方法，其中声学超材料因其特殊的波调控能力，成为研究的热点。近日，北京理工大学张凯教授的研究团队提出了一种基于亥姆霍兹共振器（Helmholtz Resonators, HRs）的宽带可调声学超表面（Broadband Tunable Acoustic Metasurface, BTAM），为声波操控提供了全新的解决方案。超表面——声学操控的新工具超表面是一种由精确设计的亚波长结构单元组成的二维材料，能够有效调控电磁波或声波的传播。相比于传统的声学材料，超表面具备超薄、轻量的特点，并能实现如负折射、声聚焦、异常反射等多种奇异声学效应。而本次研究的BTAM，则进一步突破了超表面的应用边界。亥姆霍兹共振器赋能，打造可调控超表面研究团队采用亥姆霍兹共振器作为单元结构，并通过调节其颈部开口的角度，实现对声波相位的精准控制。与现有的固定超表面不同，BTAM可以灵活调整结构，实现更加精准和广泛的声波操控。实验结果显示，该超表面在宽频范围内（1kHz-4kHz）均能有效调控声波，且具备高效的相位调控能力。更重要的是，其调控方式无需复杂的电子系统，而是通过机械结构实现，极大降低了能量损耗和系统复杂度。02研究进展在本研究中，研究团队首先建立了BTAM的理论模型，并通过数值模拟和实验测试进行了验证。研究的关键进展包括：(1) 实验验证：团队通过阻抗管实验测量了单元结构的相位调控能力，结果表明，BTAM可在不同频率范围内精确调控声波相位，实现定向反射和声聚焦。(2) 数值模拟：采用有限元模拟方法分析了不同结构参数对声波传播的影响，模拟结果与实验结果高度吻合。(3) 异常反射实验：研究团队在二维声场环境下进行实验，成功验证了BTAM在不同入射角下的异常反射特性。如图1所示，实验和模拟数据证明BTAM在1kHz-4kHz范围内均能有效工作，并且相比传统超表面，其调控精度更高，适用性更广。图1.（a）BTAM 二维示意图，由四个串联亥姆霍兹谐振器组成，谐振器且带有内伸式可调颈；（b）通过调整叶片的角度，BTAM 可实现聚焦点的调节；（c）BTAM 在不同频率下实现相同的定向反射03研究进展本研究的创新性主要体现在以下几个方面：(1) 宽带可调控性：突破传统超表面固定相位调控的局限，同一结构可适应不同应用场景。(2) 机械可调实现方式：避免了电子调控带来的复杂性和能量损耗，使其更适用于工程实践。(3) 高效的异常反射与声聚焦能力：通过动态相位调节，实现更加精准的声波操控，提高系统性能。这项研究不仅拓展了声学超材料的应用边界，同时也推动了可调超表面技术的发展，为未来的智能声学系统提供了新的可能。 广泛应用前景，引领声学科技创新该研究的成果为水下声通信、噪声控制、医学超声、非破坏性检测等领域提供了新的思路。例如，在水下通信中，声波的定向传播可提高信号传输效率；在建筑声学中，该超表面可用于高效的噪声管理和回声抑制；在医学成像中，声波聚焦技术可提升超声诊断的清晰度。04未来展望本研究的成果为声学超表面技术的发展奠定了重要基础，未来在智能声学系统、精密工程和新型声学器件中有广泛的应用潜力。随着材料科学和制造技术的不断进步，BTAM的调控精度和响应速度有望进一步提升，使其在智能降噪、可调声波透镜、动态声学隐身等领域发挥更大作用。此外，该技术还能为水下声学通信、超声波成像以及高效能量收集等前沿应用提供新的解决方案。未来，研究团队将继续优化BTAM的结构设计，探索更多调控方法，并与智能系统结合，实现更高效、更灵活的声学操控技术。研究团队表示，后续将进一步优化结构设计，提高调控精度，并探索其在更广频率范围内的应用潜力。05基金资助国家自然科学基金（项目编号：11991030、11991031和12202054）航空科学基金（项目编号：ASFC-20230042072010）06作者及团队简介张凯（通讯作者）：教授，北京大学固体力学理学博士（2011年），美国麻省理工学院访问学者（2017年），现任北京理工大学宇航学院教授，博士生导师，国家级人才，曾获教育部学术新人奖、全国百篇优秀博士论文提名等。聚焦航天和海洋等领域的减振降噪需求，致力于发展智能可调超材料设计及波动调控方向，在数字超材料、水凝胶声学、弹性波控制等方面取得重要研究成果，为复合材料、仿生材料、超材料设计及调控提供了新维度和新方法。共发表SCI论文32篇，以第一或通讯作者发表在PNAS、Advanced Materials、Advanced Functional Materials（封面论文）、Advanced Science（封面论文）、Journal of Sound and Vibration、《中国科学:物理学 力学 天文学》等国内外主流力学和工程学期刊，被Nature、Science Advances、Science Robotics、Advanced Materials、Journal of the Mechanics and Physics of Solids等期刊，获得工作被Nature、Discovery、人民日报、科技日报等国际媒体广泛报道，被认为在可调超材料设计和机理阐释方面做出了开创性工作，推动了水凝胶声学交叉领域的发展并切实服务国家需求，获批了基金委重大项目子课题、某基础某项目等，承担经费超1500万）。北京理工大学宇航学院软物质力学课题组依托于北京理工大学，立足国家“世界一流大学建设高校（双一流）”、“飞行器动力学与控制”教育部重点实验室和“爆炸科学与技术”国家重点实验室，聚焦航天和海洋等领域的减振降噪需求，致力于发展可调超材料及波动调控技术，在数字超材料、水凝胶声学、弹性波控制等方面取得重要研究成果，为复合材料、仿生材料、机器人设计及调控提供了新维度和新方法。团队成员包括张凯（教授，MIT访问学者）、王九令（教授，美国杜克大学进行博士后、中科院百篇优秀博士学位论文）、万超（副教授，德国“洪堡学者”）、刘广彦（副教授）、李栋（副教授）、左磊（助理教授），以及博士生12名，硕士生12名，本科生1名。团队成员来自力学、材料、飞行器设计与工程等专业，具有丰富的交叉基因，创新活力十足。团队拥有完善的材料开发、材料性能测试设备和相应的处理软件，在材料设计及实验测试方面具有丰富的研究经验。团队沿承北理工“德以明理、学以精工”的精神，紧扣国家和社会需求，持续技术、作品创新，不断打造指标优势，不断开发新技术、新作品。科研方面实力雄厚，在PNAS、Adv. Mater.、Adv. Sci.、Carbon、APL等国际顶级期刊发表SCI论文20余篇。

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