我們認為聲音從它們的源頭開始傳播，無論我們坐在哪裡都能到達我們的耳朵。但原則上可以產生聲射流——即一束聲音，其最大寬度的一半比聲音的波長窄。
聲射流已經在繪圖板上開始應用。例如，如果可以收集和聚焦環境中的聲能，則聲射流可以將其引導到壓電轉發器以轉換為電能。
馬里蘭大學的Liuxian Zhao、Timothy Horiuchi和Miao Yu最近提出了一種產生聲射流的方法，這種射流的長度是聲音波長的30倍。他們的方法背後是一個徑向變化折射率的球形透鏡。該鏡頭以其發明者Rudolf Luneburg的名字命名，是James Clerk Maxwell在1854年描述的光學魚眼鏡頭的通用版本。
Zhao、Horiuchi和Yu的鏡頭是由聲學超材料而不是玻璃製成的。雖然Luneburg的原始鏡頭將平面波聚焦到其表面上的點上，但馬里蘭州研究人員的鏡頭的焦點位於表面之外。更重要的是，他們的鏡頭由兩個嵌套的Luneburg鏡頭組成。外透鏡的焦點距離兩個透鏡的相互中心比距內透鏡的中心更遠。兩個焦點之間的假象線是射流形成的地方或者是希望它應該形成的地方。
為了證明他們的鏡頭原則上可以產生聲射流，Zhao、Horiuchi和Yu轉向了數值模擬。他們的出發點是一對解析表達式內部和外部鏡片的折射率。將表達式輸入模擬軟件中，可以在葡萄柚大小的鏡頭內和周圍產生聲場。輸入頻率為17kHz，接近人類聽力範圍的頂部。如圖所示，聲音的強度確實集中在狹窄的射流中。
原理驗證仿真中折射率的分析表達式為平滑連續函數。然而，超材料由小的離散物體組成——單元——排列在晶格中。Zhao、Horiuchi和Yu的鏡頭，在原理上可以實現嗎？為了找到答案，研究人員再次轉向數值模擬。
為了實現折射率的必要徑向變化，透鏡被構造為一系列嵌套的殼體。單個單元由三個5毫米長的正交梁組成，並在其中心相互交叉。同一殼中的單元具有相同的機械性能。儘管研究人員使用頻率範圍為0-20kHz的聲音作為輸入，但外殼和單元的尺寸使得鏡頭在11-17kHz的範圍內工作。
令人欣慰的是，第二組模擬的結果與第一組相似。鏡頭產生了一個射流。這些模擬還量化了研究人員的一個擔憂。用離散單元電池而不是連續介質製作透鏡會在相鄰電池之間引入阻抗不匹配。一些入射聲能被鏡頭反射，但只有15%左右。（L. Zhao，T. Horiuchi，M. Yu，JASA Express Lett.1，114001，2021.）
信息源於：physicstoday
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