如何使用超材料透镜创建声波射流

　　作者：查尔斯戴
　　编译：纯珍
　　图片来源：改编自L。Zhao、T。Horiuchi、M。Yu、JASAExpressLett。
　　詹姆斯克拉克麦克斯韦（JamesClerkMaxwell）首次构思的一种球面透镜可以帮助收集环境声能。
　　数值模拟产生了一组由声学超材料制成的双焦点Luneburg透镜的折射波形（左列）和强度场（右列）。每行对应不同的外焦距，以透镜外半径R的倍数测量：1。6R（顶部）、2。5R（中间）和3。2R（底部）。
　　我们认为音乐和其他声音从它们的来源传播到我们的耳朵，无论我们坐在哪里。但从原理上讲，可以产生一种声波射流，一束声波，其最大宽度的一半比声波的波长窄。
　　声波射流的应用已经在设计阶段。例如，如果可以收集并聚焦环境声能，那么声波学射流可以将其引导至压电转发器以转换为电能。
　　马里兰大学的LiuxianZhao、TimothyHoriuchi和MiaoYu最近提出了一种产生声波射流的方法，其长度可达声音波长的30倍。他们的方法的基础是一个折射率径向变化的球面透镜。该透镜以其发明者RudolfLuneburg（190349）的名字命名，是JamesClerkMaxwell在1854年描述的光学鱼眼透镜的广义版本。
　　Zhao、Horiuchi和Yu的透镜由声学超材料制成，而不是玻璃。Luneburg的原始透镜将平面波聚焦到其表面上的一个点上，而马里兰州研究人员的透镜则聚焦在表面之外。更重要的是，他们的透镜由两个嵌套的Luneburg透镜组成。外透镜的焦点离两个透镜的相互中心比离内透镜的中心更远。两个焦点之间的概念线是喷流形成的地方或者至少是它应该形成的地方。
　　为了证明他们的透镜原则上可以产生射流，Zhao、Horiuchi和Yu转向数值模拟。他们的出发点是一对内透镜和外透镜折射率的解析表达式。将这些表达式输入模拟软件，在葡萄柚大小的透镜内部和周围产生声场。输入频率为17kHz，接近人类听觉范围的上限。如图所示，声音的强度确实集中在了狭窄的射流中。
　　原理验证模拟中折射率的解析表达式是平滑连续函数。然而，超材料是由排列在晶格中的小的离散物体单位单元组成。Zhao、Horiuchi和Yu的透镜能不能被制造出来？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壳。一个单独的晶胞由三个5毫米长的正交梁组成，它们的中心相互交叉。同一壳中的细胞具有相同的力学性能。尽管研究人员使用频率范围为020kHz的声音作为输入，但外壳和细胞的尺寸使得透镜在1117kHz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；透镜产生喷射。模拟还量化了研究人员的担忧之一。用离散单元而不是连续介质制作透镜会导致相邻单元之间的阻抗不匹配。15左右入射声能被透镜反射。（L。Zhao，T。Horiuchi，M。Yu，JASAExpressLett。1，114001，2021。）