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 利用结构声表面波实现声波的准直发射# 5 10 15 20 25 30 35 摘要：周期性刻槽的刚体表面可以支持一种被称作结构声表面波的表面模式，在低频段，这 种声表面波处于局域态。通过引入大周期栅结构的二次调制，声表面波可以由局域态转变为 辐射态，当其与外界入射波耦合时，能够得到远场准直波束。实验测量和理论模拟都表明， 利用这一结构，可以实现较好的声波准直效应。 关键词：声学；周期结构；准直效应；声表面波 中图分类号：O424 Collimation of sound supported by designer surface acoustic waves Ke Manzhu, Jia Han, Ye Yangtao (School of Physics and Technology, Wuhan University, WuHan 430072) Abstract: The rigid surface modulated with period arrays of subwavelength grooves can support highly confined surface states, which are now called designer surface acoustic waves (DSAWs). At low frequency, the surface waves are nonleaky. By introducing an extra larger-period array of narrow ridges into the original structured plate, the surface waves turn leaky.The interference of the surface waves and the waves diffusing from the source results in a collimated beam.Both experimental and simulated results show obvious collimation of sound. Keywords: acoustics; periodic structure; collimation; surface acoustic waves 0 引言 近年来，光学反常透射[1,2]引起了科学界的广泛关注，起初这种在金属膜中构造亚波长 的周期性结构所引发的光波透射增强归功于金属表面及结构内部孔缝中 SPPs 的共振激发， 并利用周期性结构来调制金属表面的 SPPs[3,4]及光子晶体表面上的表面波[5]，从而得到定向 光束。最近研究发现，在原本无法支持电磁表面波的完美导体表面加上周期性的修饰后，也 能够在表面上获得很好的局域模，得到只能沿着表面传播的电磁波模式[6,7]。后者通常被称 为结构电磁表面波（Spoof SPPs 或 designer SPPs）。 与此对应的声表面波在人工声学材料中的研究也取得了很大的进展。利用周期性结构激 发固液界面的 Scholte-Stoneley 波来实现反常透射[8]，利用声子晶体与基体界面上的表面波 来获得声准直束[9-10]等都已经被报道。2007 年，Christensen 等人[11]指出利用在声学刚性板上 加上周期性的修饰后所得到的结构声表面波，也可以获得与电磁波类似的声波透射加强与声 准直波束。这种结构声表面波在之前已经有所报道[12,13]，但随着反常透射现象的发现，再一 次引起了人们的关注[14-15]。我们前期对一维结构表面波的色散特性进行了系统分析[16]。在 本文中，我们进一步通过增加二次结构对结构声表面波的色散特性进行有效调制，并由此获 得了高效的准直声波束。 -1- 1 样品及测量方法  40 45 50 实验装置及样品如图 1 所示。图 1（a）显示了未加二次调制的原始样品。样品材料为 机玻璃（PMMA），由于 PMMA 和空气的阻抗差异极大，可以近似为刚性板处理。结构为： 厚度为 t=1.7cm 的二维刚性板上表面处，刻出一系列周期为 p=2cm，宽度为 w=1.2cm，深度 为 h=1.2cm 的矩形空气凹槽。加二次调制的样品如图 1（b）所示。散射体位于凹槽的正中 间，宽度为 w1=0.2p=0.4cm，高度为 h1=0.72p=1.44cm，散射体的周期为 p1=2p=4cm，即新 加散射体的周期为原始周期的两倍。整个样品的长度为 80cm（覆盖 40 个小周期），宽度为 15cm。 实验装置如图 1（c）所示。样品板的光滑面紧贴在直径为 10cm 的阻抗管出口处，且在 样品板的中心处打开一条宽为 0.