超高相位分辨率超材料实现声波波前精准调控：从理论设计到声学聚焦与偏转应用

这篇研究报道了一种基于双侧对称T形（BST）结构的透射型声学超材料单元，通过简单旋转实现π/36弧度的超高相位分辨率（8000 Hz），突破了传统迷宫结构相位分辨率局限（π/8-π/4）。采用多尺度建模（COMSOL仿真/瞬态分析/理论模型）验证了相位调控机制，并通过PolyJet 3D打印制备17×17阵列超材料，实验证实其声波聚焦（FWHM=0.75λ）和偏转（126°）功能，为可重构声学器件开发提供新范式。

　　

声学超材料领域迎来突破性进展，一种基于双侧对称T形（BST）结构的创新设计成功实现超高精度的声波波前调控。这项研究通过精巧的亚波长结构设计，将相位分辨率提升至π/36弧度，为声学透镜、成像和噪声控制等领域开辟了新途径。

在单元设计方面，研究团队摒弃了传统复杂的迷宫结构，转而采用简单的BST结构旋转机制。这种双侧对称T形元件被巧妙地安置在矩形波导内，通过绕z轴旋转即可精确调控声波相位延迟。理论计算和COMSOL多物理场仿真显示，该设计能实现0到2π的全相位覆盖，分辨率高达π/36（5°），远超现有 labyrinthine结构（π/8-π/4）和Helmholtz谐振器（π/4）的性能。

瞬态域分析揭示了相位调控的物理机制。通过逐帧追踪声波传播路径发现，BST结构的旋转会显著改变声波的有效传播路径长度。当声波（8000 Hz）通过包含BST结构的波导时，会在亚波长尺度发生衍射，形成特定的压力场分布。这种衍射效应导致声波轨迹延长，从而产生可预测的相位延迟。压力域分析进一步证实，从1369种旋转组合中筛选出的72种最优配置，能够实现相位延迟的线性精确调控。

制造工艺方面，研究采用PolyJet 3D打印技术制备了17×17阵列的超材料样品。表面形貌测量显示，打印结构的表面粗糙度Ra仅为4μm，最大高度差Rz=22μm，远小于声波波长（≈43mm），确保了声学性能的稳定性。值得一提的是，这种简单的BST结构设计也兼容FDM打印，大幅降低了制造成本和复杂度。

在功能验证环节，研究团队设计了两种典型的声学应用场景。声波聚焦实验中，超材料成功将声能汇聚在距表面84mm的焦点处，实验测得焦斑半高宽（FWHM）为32mm（0.75λ），与仿真结果高度吻合。声波偏转实验则展示了126°的显著偏转效果，压力场测量显示声能最大值偏离中心轴60mm。特别引人注目的是，通过简单旋转BST结构即可实现功能切换，这种可重构特性为动态声学器件开发提供了新思路。

与传统空间卷绕超材料相比，BST设计具有三大显著优势：首先，旋转调控机制避免了复杂几何结构的加工难题；其次，单一结构实现全相位覆盖，无需多单元库；第三，简单的机械调节为实时重构提供了可能。研究者建议，未来可通过引入不对称BST设计来拓展工作带宽，或结合形状记忆合金（SMA）等智能材料实现自动调控。

这项研究的意义不仅在于实现了创纪录的π/36相位分辨率，更在于提供了一种简单可靠的设计范式。从声学全息到参数扬声器，从超声治疗到噪声控制，这种高精度相位调控能力将为众多声学应用带来新的可能性。特别在医疗声学领域，其精确的波前操控特性有望推动超声成像和治疗技术的革新发展。