南京师范大学与南京大学科研团队研发声学透明波导 | Physical Review Letters

研究人员研发出一种声学“幽灵通道”，属于近乎完美的声波导结构：可约束声波沿通道传播，同时允许外部声波无干扰横穿通道，对外部波场近乎隐形。该二维声学结构有望应用于多信号通道交叉无串扰场景，例如复杂声呐设备。

传统金属管道等常规声波导依靠硬质侧壁束缚声波，但侧壁会形成障碍物，散射外部传播的声波。在集成声学电路、多向传播声呐等场景中，波导外存在多方向声波传播，散射干扰会严重降低信号清晰度。

为解决这一难题，南京师范大学Changqing Xu团队联合南京大学研究人员，借鉴超材料领域最新研究成果。超材料通过设计小于工作波长的周期性微结构，可具备天然材料无法实现的物理特性。天然材料的折射率由密度与可压缩性决定，恒为非零值；而科研人员可设计特定超材料，在目标频率下实现零折射率。在零折射率频率下，声波波长趋于无穷大，可实现高保真传输。

Xu研究团队基于这一原理，设计新型特异介质：沿通道传播的声波可感知虚拟侧壁约束，而通道外侧垂直入射的声波，则视该区域为空旷无阻碍空间。团队搭建二维声学幽灵通道模型开展验证实验。该结构表层排布3D打印单元阵列，单元尺寸50毫米×67毫米、高15毫米，采用声反射材料制备。研究人员调控超材料等效密度与等效压缩系数，在2.8 kHz工作频率下实现声波等效零折射率。

每个单元包含两个方形空气空腔，通过精密盘绕通道与外界空气连通。迷宫式盘绕结构可减缓单元内部空气流动，让小型单元即可实现零折射率效应。通过优化空腔与盘绕通道几何结构，团队使超材料与外界空气实现声阻抗匹配，让横穿通道的外部声波无反射、无损耗，通道呈现声学透明特性。团队预计，该结构可在宽频范围内实现声波跨通道无干扰传播。

Xu团队通过两组核心实验验证幽灵通道效应。

• 其一，向通道入口入射声波，声波严格约束在通道内定向传播，从出口传出时强度几乎无衰减，传输效率近乎完美；

• 其二，向通道侧面入射外部声波，声波可无损穿透结构，另一侧波形无畸变。

Xu表示：“该技术为突破声学设备体积庞大、功能单一、复杂环境易受干扰等瓶颈提供全新思路。此外，原理具备通用性，还可拓展应用于光波、等离激元波乃至电子波等其他波动形式。”

新加坡南洋理工大学物理学家、超材料专家Baile Zhang评价：“这一设计构思精妙。”他认为该结构短期内可落地应用于噪声控制领域。传统降噪手段多依赖阻隔或吸声，会无差别影响所有声波；而该结构可实现空间选择性控噪，定向引导噪声沿指定路径传播，同时保持其他区域声场不受干扰。

研究团队计划推进技术落地，研发可调控式幽灵通道，实现开关可控、工作频率可调，适配更宽频段的声波传输需求。

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“Symmetry-Protected Acoustic ‘Ghost Tunnels”