近日，我院张宗波教授团队在水下高频声学超表面设计与声场调控领域取得研究进展。相关研究成果《面向兆赫兹水下声场调控的简化型超表面设计》（Simplified metasurface design for MHz underwater acoustic field manipulation）发表在《Ultrasonics》。《Ultrasonics》 是 Elsevier 出版社主办、1963 年创刊的超声期刊，覆盖超声物理、超声器件、水下声学、超声超材料与超表面、无损检测与生物医学超声等全方向研究，目前影响因子为4.8。（SCI二区TOP）论文作者包括李想、宋世良、陈一鸣、王凯和张宗波等，通讯作者为张宗波教授，华中科技大学2022级博士生王凯为共同通讯作者，第一作者为2024级专业硕士生李想，中国石油大学（华东）和华中科技大学为共同完成单位，该研究获得山东省自然科学基金（ZR2023MB026）赞助。
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声学超表面是一类通过人工设计的亚波长结构调节声波传播特性的功能器件，在声束偏转、声聚焦、超声成像和声场能量调控等方面具有广阔的应用前景。然而，当工作频率提高至MHz范围时，声波波长显著缩短，传统依赖复杂迷宫型或卷曲声道的超表面结构面临微细加工难度大、制造成本较高及实际应用受限等问题。如何在保证声场调控能力的同时简化结构形式，是水下高频声学超表面研究中的重要课题。
针对上述问题，研究团队提出了一种基于“栅栏—间隙”结构的简化型声学超表面。该结构采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为基体材料，以栅栏实体区域与间隙区域的无量纲面积比γ作为关键设计参数，通过调节几何占比改变透射声波的相位响应。与依赖复杂微细通道的传统方案相比，该方法将结构设计转化为较为直观的宏观几何参数调节，在保持结构简洁性的同时实现了0～π范围内的连续透射相位调控，并可采用常规数控加工方法制备。
声学超表面的概念示意图。(a) 超表面的三维视图 (b) 超表面 y-x 平面结构示意图。(c) 2.5 MHz 频率下模拟场的透射率 开始 公式 加粗斜体 τ（橙色圆点）与相移（黑色实线）
研究团队结合有限元数值分析与实验测量，对超表面的声场调控性能进行了验证。在声束偏转方面，通过对不同相位响应单元进行组合，构建具有空间相位梯度的透射型超表面，实现了入射声波传播方向的调节。在声聚焦方面，利用相位补偿原理设计聚焦透镜，使透射声能量在预定位置汇聚。研究结果表明，该结构可用于1～10 MHz范围内的高频声场调控；在所研究的不同频率条件下，焦点位置可在约0.5～5 mm范围内变化。数值分析和实验结果具有较好一致性，实验所报告的焦点声压分布半高全宽约为1.3倍波长，证明了简化结构在水下高频聚焦中的可行性。
频率 f 分别为 1、2.5、5 和 10 MHz 时声聚焦的强度场，以及焦点区域附近横向 y 方向与 x 方向的强度分布。(a) f = 1 MHz，(b) f = 2.5 MHz，(c) f = 5 MHz，(d) f = 10 MHz。
声学超表面样品的声聚焦。(a) 1 MHz频率下声聚焦的实测与仿真声强场。(b) 焦点区域附近横向 x 方向与 y 方向的实测和仿真声强分布曲线。
该研究以无量纲面积比为核心设计变量，降低了水下高频声学超表面对复杂亚波长几何结构的依赖，在设计简便性、加工可实现性和声场调控功能之间取得了较好的平衡。相关成果为高频超声聚焦、超声成像、水下声场控制等应用提供了可供进一步研究的技术路径，也为后续开展更高自由度的声学超表面优化设计奠定了基础。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ultras.2026.108071
