[论文解读] Control of acoustic absorption in 1D scattering by indirect coupled resonant scatterers

Aurélien Merkel, Georgios Theocharis+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2015

Ultrasonics and Acoustic Wave Propagation被引用 3

一句话总结

本论文通过实验表明，利用两个弱损耗、间接耦合的赫姆霍兹共振器，可在一维波导中实现完美的单向声学吸收。通过调节共振器几何结构以激发具有高Q因子的类电磁感应透明（EIT）模式，实现与固有粘热损耗的临界耦合，从而在深亚波长结构（λ/28）中实现接近完美的吸收（高达96%），且在非对称构型下表现出单向行为。

ABSTRACT

We experimentally report perfect acoustic absorption through the interplay of the inherent losses and transparent modes with high $Q$ factor. These modes are generated in a two-port, one-dimensional waveguide which is side-loaded by isolated resonators of moderate $Q$ factor. In symmetric structures, we show that in the presence of small inherent losses, these modes lead to coherent perfect absorption associated with one-sided absorption slightly larger than 0.5. In asymmetric structures, near perfect one-sided absorption is possible (96 \%) with a deep sub-wavelength sample ($λ/28$). The control of strong absorption by the proper tuning of few resonators with weak losses will open new possibilities in various wave-control devices.

研究动机与目标

• 通过实验展示，仅使用弱损耗共振器，可在双端口一维声学波导中实现相干完美吸收（CPA）。
• 探讨如何利用固有粘热损耗与高Q因子类EIT模式，实现强单向吸收。
• 研究结构对称性与几何调制在控制吸收效率与方向性中的作用。
• 在深亚波长构型（λ/28）中，通过非对称共振器耦合，实现接近完美的吸收（高达96%）

提出的方法

• 系统采用一个双端口一维波导，侧接两个中等Q因子的赫姆霍兹共振器（HRs），通过波导间接耦合。
• 通过实验测量散射矩阵S(f)，提取透射与反射系数，利用特征值识别CPA条件。
• 通过调节失谐参数$ k^{HR}_1 l / \pi $与$ k^{HR}_2 l / \pi $，实现临界耦合，使类EIT模式与固有损耗对齐。
• 理论建模采用S矩阵形式，特征值$ \xi_{1,2} = t \pm \sqrt{r^L r^R} $，当$ \xi_1 = 0 $时发生CPA。
• 非对称构型破坏镜像对称性，通过调节左右入射波的耦合不对称性，实现单向吸收。
• 吸收率定义为$ \alpha = 1 - |r^L|^2 - |t|^2 $，最大值在特定频率与几何调制下被识别。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅利用固有损耗与类EIT模式，是否可在双端口一维声学系统中实现相干完美吸收（CPA）？
• RQ2 两个间接耦合共振器之间的结构非对称性如何影响单向吸收效率与方向性？
• RQ3 在深亚波长构型（λ/28）中，使用弱损耗共振器，单向吸收的最大可实现值是多少？
• RQ4 在对称与非对称构型下，CPA频率处S矩阵的特征值如何演化？

主要发现

• 在对称构型中，实验测得单向吸收最高达60%（理论值55%），在对称CPA点处达到最大值，此时$ \xi_1 = 0 $。
• 在非对称构型中，于$ f_{max} = 618 $ Hz处实现98%的近完美单向吸收，对应$ k^{HR}_1 l / \pi = 1.14 $，$ k^{HR}_2 l / \pi = 1.06 $。
• 在深亚波长吸收器中，于$ f_{max} = 244 $ Hz处实现96%吸收，结构尺寸仅为$ l = 5 $ cm（$ \lambda/28 $）。
• 在非对称情况下的CPA频率处，S矩阵的两个特征值均趋近于零，表明从两个入射端口均实现完全吸收，与对称情况中仅一个特征值消失形成对比。
• 吸收峰与类EIT模式的临界耦合相关，即高Q模式的辐射损耗率与由粘热效应引起的固有损耗率相匹配。
• 实验结果证实，较低Q因子的共振器可实现更高吸收，因其较弱的本征损耗使几何调制具有更好的控制能力。