结构声场具有独特的时空演化特性，在基础研究和前沿技术研发中发挥关键作用。特别是涡旋结构声场具有空间相位奇点和零声压区域等特性，在声镊、粒子操纵、水下通信以及医学传感等领域具有重大应用前景。目前产生涡旋结构声场的方法主要包括主动源阵列、螺旋相位板以及超构表面等，然而单涡旋通道超构表面生成的结构涡旋场通常受到中心单一相位奇点的限制，并且无法实现远程动态调控。
图1. 拓扑荷复用超构表面（TCMM）用于产生结构声涡旋奇点和远程动态控制。
在这项研究中，他们创新设计方案，提出拓扑荷复用超构表面（TCMM）用于产生具有多个空间涡旋奇点的结构化声场。TCMM由一个具有多个同心环形区域的单层超构表面组成，每个区域通过梯度微结构设计引入拓扑荷qi，每个qi区域都可以进行独立旋转。研究发现：每一个区域都可以实现完美的涡旋转化，不同涡旋干涉叠加在空间中产生了具有偏心涡旋奇点的结构声场。有趣的是，偏心奇点的数量由两个相邻区域qi数量决定。
进一步，通过旋转超构表面的qi区域可以实现涡旋结构声场的远程动态操控。理论和实验表明：旋转TCMM中每个环形区域都可以实现远程涡旋奇点的动态旋转操纵，结构声场的角速度由这些区域中的拓扑核数量决定。研究揭示了声场旋转速度、结构旋转速度、拓扑荷qi三者之间的定量关系，通过控制拓扑核可以实现了包括声场加速或减速等动态行为。这一工作为探索具有多个空间涡旋奇点的结构化声场提供了一个简单且可行的平台，为精确远程控制结构声场运动提供新的理论基础。
图2. 通过旋转TCMM中的不同qi区域实现对偏心涡旋奇点的远程动态操控。
该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。苏州大学徐亚东教授、蒋建华教授、高雷教授，南京航空航天大学伏洋洋教授为通讯作者。研究工作得到了王飞教授、杭志宏教授、陈焕阳教授的指导。
