如何使用超材料透镜创建声射流

　　我们认为声音从它们的源头开始传播，无论我们坐在哪里都能到达我们的耳朵。但原则上可以产生声射流——即一束声音，其最大宽度的一半比声音的波长窄。
　　声射流已经在绘图板上开始应用。例如，如果可以收集和聚焦环境中的声能，则声射流可以将其引导到压电转发器以转换为电能。
　　马里兰大学的Liuxian Zhao、Timothy Horiuchi和Miao Yu最近提出了一种产生声射流的方法，这种射流的长度是声音波长的30倍。他们的方法背后是一个径向变化折射率的球形透镜。该镜头以其发明者Rudolf Luneburg的名字命名，是James Clerk Maxwell在1854年描述的光学鱼眼镜头的通用版本。
　　Zhao、Horiuchi和Yu的镜头是由声学超材料而不是玻璃制成的。虽然Luneburg的原始镜头将平面波聚焦到其表面上的点上，但马里兰州研究人员的镜头的焦点位于表面之外。更重要的是，他们的镜头由两个嵌套的Luneburg镜头组成。外透镜的焦点距离两个透镜的相互中心比距内透镜的中心更远。两个焦点之间的假象线是射流形成的地方或者是希望它应该形成的地方。
　　为了证明他们的镜头原则上可以产生声射流，Zhao、Horiuchi和Yu转向了数值模拟。他们的出发点是一对解析表达式内部和外部镜片的折射率。将表达式输入模拟软件中，可以在葡萄柚大小的镜头内和周围产生声场。输入频率为17kHz，接近人类听力范围的顶部。如图所示，声音的强度确实集中在狭窄的射流中。
　　原理验证仿真中折射率的分析表达式为平滑连续函数。然而，超材料由小的离散物体组成——单元——排列在晶格中。Zhao、Horiuchi和Yu的镜头，在原理上可以实现吗？为了找到答案，研究人员再次转向数值模拟。
　　为了实现折射率的必要径向变化，透镜被构造为一系列嵌套的壳体。单个单元由三个5毫米长的正交梁组成，并在其中心相互交叉。同一壳中的单元具有相同的机械性能。尽管研究人员使用频率范围为0-20kHz的声音作为输入，但外壳和单元的尺寸使得镜头在11-17kHz的范围内工作。
　　令人欣慰的是，第二组模拟的结果与第一组相似。镜头产生了一个射流。这些模拟还量化了研究人员的一个担忧。用离散单元电池而不是连续介质制作透镜会在相邻电池之间引入阻抗不匹配。一些入射声能被镜头反射，但只有15%左右。（L. Zhao，T. Horiuchi，M. Yu，JASA Express Lett.1，114001，2021.）
　　信息源于：physicstoday

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