Enhanced Broadband Manipulation of Acoustic Vortex Beams Using 3‐bit Coding Metasurfaces through Topological Optimization

宽带 编码(社会科学) 计算机科学 声学 电子工程 光学 物理 工程类 电信 数学 统计
作者
Shengdong Zhao,Na‐Li Zhang,Ping Han,Yadong Gu,Hao‐Wen Dong
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202308349
摘要

Abstract The acoustic coding metasurfaces (ACMs) have the ability to manipulate complex acoustic behavior by reconstructing the coding sequence. In particular, the design of broadband coding enhances the versatility of ACMs. ACMs offer significant advantages over traditional metasurfaces, including a limited number of units and flexible wave control performance. The unit quantity is determined by 2 n , with 1‐bit utilizing 2 units, 2‐bit using 4 units, and 3‐bit employing 8 units. Utilizing multiple bits allows for precise control over the phase of sound waves and enables the realization of more intricate acoustic functions. To address the requirements of broadband multi‐bit applications, this paper presents the development of novel 3‐bit broadband reflected acoustic coding metasurfaces (BACMs) with eight coding units. These metasurfaces are systematically designed using the bottom‐up topology optimization method. A constant phase difference of 45° can be achieved across all eight coding units within a broad frequency range. Additionally, the spiral distribution of phase differences enables the construction of an acoustic vortex metasurface. Moreover, by combining the convolution method, the strategies are outlined for constructing vortex‐focusing metasurfaces and vortex beam manipulation metasurfaces. These 3‐bit coding metasurfaces possess significant potential in the fields of acoustic particle suspension and acoustic communication.
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