Collaborative non-local topology optimization of gradient acoustic metasurfaces for broadband extreme reflection modulation

宽带 拓扑优化 超材料 反射(计算机编程) 声学 拓扑(电路) 光学 计算机科学 物理 工程类 有限元法 热力学 电气工程 程序设计语言
作者
Wen-Xiao Fu,Hao‐Wen Dong,Yue-Sheng Wang
出处
期刊:Journal of the Acoustical Society of America [Acoustical Society of America]
卷期号:157 (2): 1252-1260
标识
DOI:10.1121/10.0035880
摘要

To control the complex energy flow between neighboring microstructures for realizing the extreme acoustic functionality using a large-scale non-local metamaterial, here this paper shows that a collaborative non-local topology-optimization methodology is developed to construct gradient acoustic metasurfaces with smooth boundaries for the broadband large-angle reflection. An inverse-designed non-local acoustic metasurface is numerically and experimentally validated to support the large reflection angles within the low-frequency broadband range while maintaining high efficiency greater than 98.9%. It is further revealed that the strong non-local energy exchange between the multiple adjacent optimized microstructures can enable arbitrary surface impedances, thus obtaining efficient large-angle anomalous reflection from 52° to 90°. The present collaborative non-local topology-optimization methodology is not only applicable to airborne acoustic waves, but also can be extended to the customization of efficient wave functionalities of elastic and underwater acoustic metasurfaces.
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