作为一种具有亚波长尺度的超薄人工结构，声学超构表面以其灵活可控的透反射特性在包括声全息、声隐身以及声通讯等多个事关军事和民生领域具有重大应用。目前，临界角的存在是制约超构表面灵活性与实用性的瓶颈之一，为了突破这一限制以得到更多操作自由度，如图1（a）所示，我们提出一种基于空间折叠声学结构的共振单元设计理念，通过调节结构参数得到具有任意表面相位梯度大小的反射式声学超构表面，从而实现全角度的负反射现象。

   在该研究中，声学全角度负反射的物理机理为临界角外入射平面声波在梯度超构表面当中激发产生的表面束缚模式经超胞周期晶格的高阶布拉格散射产生了负反射声场。利用有限元计算，理论研究了基于折叠结构的反射式声学梯度超构表面中的全角度负反射现象。随后，设计并利用3D打印技术对器件进行制备，采用二维声波导声场扫描测量系统对声学全角度负反射现象进行了实验验证，如图1（b）所示，实验与数值模拟结果吻合。此外，我们还从模式耦合角度出发，建立了模式展开理论解释不同反射级次与梯度超构表面内部Floquet-Bloch模式之间的关联，设计并理论研究了任意表面相位梯度大小的反射式声学超构表面的声波反射定律，提出了高阶布拉格散射修正的广义反射定律和“向上跳”规则。

图1 (a)空间折叠单元结构示意图及其样品图，其中子单元厚度d=27 mm，周期p=27 mm，水平隔板厚度w=1.5 mm，实心底座(深色区域)厚度为6 mm。(b)数值模拟与实验验证的反射声场结果。

图2 (a)空间蜷曲单元结构示意图及其样品图。(b)数值模拟与实验验证的透射声场结果。(c) 可调单向传输器件的声压级分布结果。

    在考虑高阶布拉格散射的贡献并对广义折射定律进行修正后，我们同时提出了基于声学梯度超构表面的全角度负折射。如图2（a）所示，利用蜷曲型声学结构，设计了具有360°透射声场相位调制的高效率透射式声学梯度超构表面，数值模拟和实验验证了声学全角度负折射现象，如图2（b）所示。利用耦合理论和含时有限元仿真计算，揭示了表面束缚波和临界角外负折射之间的关联。对于透射式梯度超构表面，除了满足高阶布拉格散射修正的广义折射定律和“向上跳”规则，还需考虑相位离散级次奇偶性对衍射级次的筛选，即临界角外入射情形下，表面相位离散级次为奇数时仅支持奇数级次布拉格散射修正的广义折射定律，反之亦然。不仅如此，如图2（c）所示，我们还在理论上研究了基于双层透射式声学梯度超构表面的可控非对称声学传输。通过改变双层梯度超构表面的层间间隔，可以实现对称声学传输到非对称声学传输的连续调节。分别利用声学直管—亥姆霍兹谐振腔混合型声学结构和双层迷宫型结构，交叉验证了在引入合适层间间隔的条件下实现对称声学传输向非对称声学传输功能的转换。相关研究成果发表在Applied Physics Letters等期刊。