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原文摘要：
聲學(xué)超材料在過去的幾十年里得到了廣泛的研究，并實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)材料無法實(shí)現(xiàn)的聲學(xué)參數(shù),。在證明了局部共振聲學(xué)超材料能夠作為亞波長單元細(xì)胞之后,，研究人員評估了打破材料質(zhì)量密度和體模量的經(jīng)典限制的可能性。結(jié)合理論分析,、增材制造和工程應(yīng)用,，聲學(xué)超材料已經(jīng)展示出非凡的能力，包括負(fù)折射,、隱身,、光束形成和超分辨率成像。由于阻抗邊界和模態(tài)轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性,，在水下環(huán)境中自由操縱聲學(xué)傳播仍然存在挑戰(zhàn),。本文綜述了近20年來水聲超材料的發(fā)展，包括水聲隱形隱身,、水下光束形成,、水下超表面和相位工程、水下拓?fù)渎晫W(xué)和水聲超材料吸收器,。隨著水下超材料的發(fā)展和科學(xué)時(shí)間線的發(fā)展,，水聲超材料在水下資源開發(fā),、目標(biāo)識別、成像,、降噪,、導(dǎo)航和通信等領(lǐng)域得到了令人興奮的應(yīng)用。 
原文總結(jié)： 在這篇綜述中,，我們重點(diǎn)回顧了過去二十年來水聲超材料領(lǐng)域的發(fā)展,。雖然聲學(xué)超材料在空氣中得到了廣泛研究，但在水下環(huán)境中仍面臨著重大挑戰(zhàn),。隨著基礎(chǔ)物理學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展,，水聲超材料領(lǐng)域得到了顯著擴(kuò)展。我們確定了一些設(shè)計(jì)超材料結(jié)構(gòu)以操控聲波以滿足我們期望的方法,。然而,，在水下環(huán)境中還有很多工作要做，正如本綜述開頭所提到的,。水或人體組織中超材料結(jié)構(gòu)與背景介質(zhì)之間的阻抗比大約是空氣中的3600倍,。這種巨大的對比表明，在水或組織中由換能器或揚(yáng)聲器產(chǎn)生的大部分能量與超材料結(jié)構(gòu)相互作用,；因此,，在大多數(shù)情況下，水下超材料不能被視為絕對剛性的邊界,?？紤]到固體-流體相互作用，有效參數(shù)受多重散射的主導(dǎo)[4,5,36],。復(fù)雜的類流體超材料還會(huì)出現(xiàn)不可避免的粘聲效應(yīng),，因此更具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)。 從基礎(chǔ)科學(xué)和智能感知技術(shù)的角度來看,，轉(zhuǎn)換理論已被證明是指導(dǎo)復(fù)雜超材料設(shè)計(jì)的有效方法[42,43],；基于共形變換的擬各向異性方法可以減少各向異性參數(shù)，以避免復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造[63],。水中的五態(tài)超材料可以被視為可以降低微結(jié)構(gòu)剪切模量的元流體,。一個(gè)挑戰(zhàn)是如何避免與水下障礙物的散射效應(yīng)，以打破檢測屏障并確保在海洋和河流中具有檢測能力,。另一個(gè)挑戰(zhàn)是為水中的定向聲學(xué)檢測設(shè)計(jì)緊湊且微型化的聲源,，并為低功耗和智能檢測系統(tǒng)提供關(guān)鍵技術(shù)支持。水下主動(dòng)相控陣可以實(shí)現(xiàn)更好的性能,；然而,，復(fù)雜的電路系統(tǒng)和信號處理模塊使得設(shè)計(jì)緊湊且集成化的設(shè)備變得困難。 水下元表面作為一種相位工程的新領(lǐng)域，展示了對亞波長控制的潛力[48,49],。然而,，現(xiàn)有的具有有效聲學(xué)參數(shù)的超材料很難在大范圍內(nèi)有效延長聲學(xué)傳播路徑。一些解決方案也已提出來解決這個(gè)問題,，如薄膜超材料和共振基超材料,；然而，狹窄的頻帶限制很難克服,。此外,，粘聲耗散可能對水下聲學(xué)超材料產(chǎn)生有害影響，這些超材料通常由周期重復(fù)的構(gòu)建單元組成,。在正確地獲得所需行為時(shí),，應(yīng)考慮到定義水下聲學(xué)超材料的周期結(jié)構(gòu)中的粘聲損耗的存在。最近提出的與阻抗匹配的元凝膠和復(fù)合吸收體的水下超材料顯示了在水下寬頻傳輸和吸收方面的潛在可能性[66,118],。水下元表面的低頻極限是多少,？我們設(shè)想，利用微觀/納米制造技術(shù),，通過水下元表面進(jìn)行噪聲抑制可以擴(kuò)展到更低頻段,。 此外，軟超材料可以實(shí)現(xiàn)顯著甚至極端的聲學(xué)特性,，這些特性受益于材料制備,、聲學(xué)參數(shù)特性和3D打印技術(shù)。微/納尺度制造已被用于設(shè)計(jì)具有相對穩(wěn)定聲學(xué)特性的極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu),，并且可以實(shí)現(xiàn)負(fù)指數(shù)[128,168,169],。這個(gè)新概念融合了微/納制造和超材料設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。此外,，緊湊的軟超材料可以與水或人體組織產(chǎn)生較少的剛性或彈性散射。這個(gè)新概念在水下聲學(xué)中得到了快速發(fā)展,，例如元皮絕緣體[170],、寬帶可調(diào)諧元凝膠[66,171]和仿生水凝膠機(jī)器人[172]。這些軟超材料概念能否用于實(shí)現(xiàn)水下聲學(xué)數(shù)字編碼以實(shí)現(xiàn)長距離檢測,？ 聲波的頻率和速度低于電磁波和微波,，水下通信的帶寬通常有限。聲學(xué)渦旋束提出了聲學(xué)通信傳輸速率提高的新的獨(dú)立自由度[93],。然而,，在實(shí)際水環(huán)境中實(shí)現(xiàn)相位控制和遠(yuǎn)距離水下聲學(xué)通信仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的水下相位控制超材料設(shè)計(jì)幾乎都是狹窄頻帶并受到衍射限制,。換句話說,，大多數(shù)水下超材料很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬帶和遠(yuǎn)距離的非衍射傳輸。聲學(xué)全息術(shù)是一種利用衍射積分來操控聲學(xué)相位的技術(shù)，為水下三維聲場成像和波前整形（如波束指向和聚焦）提供了一種新方法,。傳統(tǒng)相控陣源的分辨率極限是多少,？聲學(xué)全息術(shù)已被證明能夠?qū)崿F(xiàn)比商業(yè)相控陣源高兩個(gè)數(shù)量級的重構(gòu)自由度[51]?；诼晫W(xué)全息術(shù)如何實(shí)現(xiàn)智能感知和成像水下環(huán)境,？ 先進(jìn)勘探技術(shù)的發(fā)展不僅與海洋探索有關(guān)，也對科學(xué)技術(shù)的前沿至關(guān)重要,。海洋覆蓋了地球表面近三分之三的面積,，但有95%的海洋尚未被探索。聲波可以在水下長距離傳播,，低頻聲甚至可以實(shí)現(xiàn)數(shù)千公里的傳輸,。鑒于聯(lián)合國教科文組織政府間海洋學(xué)委員會(huì)提出的“透明海洋”[173]和“智能海洋”的重要性，我們迫切需要審視當(dāng)前水下聲學(xué)超材料的發(fā)展,。我們設(shè)想,，水下聲學(xué)超材料可以為開發(fā)下一代海洋技術(shù)（如海洋聲學(xué)層析成像、海洋觀測網(wǎng)絡(luò),、海洋探測等）提供新的設(shè)計(jì)方案,。 總之，我們得出結(jié)論認(rèn)為,，水下超材料的未來可以應(yīng)用于水環(huán)境和生物組織中,。聲學(xué)超材料在水下聲學(xué)或醫(yī)學(xué)超聲中能有所用嗎？這些問題需要進(jìn)一步研究,，但我們相信答案可以找到doi: https:///10.1093/nsr/nwac246
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