超材料中的弹性波及其调控

<正>超材料是一类具有微结构的人工复合材料.通过巧妙的微结构设计,力学超材料可实现很多难以在自然界中发现的力学性能,包括低频禁带、准直聚能、单向传输、声波隐身和拓扑态等.这些反常力学性能使力学超材料得以突破传统材料的力学性能极限,为低频振动与波动的控制带来了颠覆性的技术革命.由于其材料性能的特殊性,力学超材料的概念自提出就引起了科学界和工程界的广泛关注,     

力电耦合主动超材料及其弹性波调控

超材料是实现新奇弹性波调控功能的关键所在.其中,被动超材料最先被研究者关注,目前已实现了波动阻隔、负折射、波聚焦、绕射隐身等反常波动效果,因此被动超材料在低频减振降噪、结构健康监测和波动能量收集等方面有着广泛的应用前景.然而,被动超材料在制备完成后,其等效属性和波控功能很难再根据实际需求进行调节,限制了其在真实工作环境中的应用.近年来出现的力电耦合超材料能够实现波动性质的主动调节,突破了被动超材料的限制,因此受到越来越多的关注.力电耦合超材料在微结构材料组分和拓扑构型之外引入多物理场耦合效应来改变等效属性,并能通过外部电场控制实现特定的非常规属性或者材料属性的主动甚至自适应调节.本文首先介绍力电耦合超材料的基本概念.然后,根据外部电场作用方式的不同将力电耦合超材料分为两类;并从等效属性的电场调控机理、耦合电场/微结构设计和波控功能等方面,对力电耦合超材料的研究现状和发展趋势进行了详尽的介绍和讨论.最后,针对波动控制的功能拓展、宽低频实现机理、动态均匀化以及高效数值预报等方面,对未来力电耦合超材料的研究方向与应用领域进行展望.     

地震超材料:从自然结构到新型人工结构

光子晶体、声子晶体和声学超材料在调控波和波衰减等领域产生了深远影响.它们并不是自然界中新发现的材料,而是根据不同需求设计的复合结构,通常利用布拉格散射或局域共振机理来达到调控声波/弹性波能带结构的目的.与光子晶体不同,声子晶体和声学超材料的工作区域在较低频区域,因此获得低频且大范围的禁带是该领域的研究重点,并逐渐拓展到频率低、波长长的地震波隔震减灾防控上.本文从纳米光子和地震超材料的联系出发,从固体物理的视角分析了地震超材料的城市群、自然森林超材料等,将新型人工地震超材料在分布区域、禁带机制、实验方式3个方面进行了分类比较,并展望了现阶段地震超材料研究的一些局限性以及面临的挑战.     

超材料结构的弹性波带隙主动调控研究进展

周期超材料结构由多个相同的子结构根据一定的规律性和周期性组成,具有特殊的力学特性,比如带隙.弹性波只能在特定的频带(通带)内沿超材料结构传播,而在其他频带(带隙或禁带)内的弹性波将被阻隔.利用带隙特性可以实现弹性波过滤、振动和噪声控制等,由此学者进行了大量的研究工作,希望获得各种具有更好带隙特性的超材料结构.然而在实际工程应用中,超材料结构的尺寸往往已被固定,频率带隙的宽度以及位置往往成为限制其实用性的问题.因此,分析超材料结构中弹性波带隙的主动调控具有重要的理论与实际意义,可以为周期结构的振动控制和减振设计提供理论依据.本文针对周期超材料结构,综述了其中弹性波带隙主动调控问题的研究现状,简述了近年来发展的弹性波带隙主动调控研究方法,介绍了热点的研究结果,并提出了值得进一步深入研究的问题.     

智能压电声子晶体与超材料研究现状与展望

声子晶体与超材料作为一种人工设计的新型材料或结构,具有许多独特和超常的弹性波传播特性,为机械振动的有效控制与弹性波的精准调控提供了一个崭新的研究途径与充满希望的应用机遇.然而,由于传统的声子晶体与超材料在加工制备之后不易根据实际需求重新调整其几何参数和材料属性,大大限制了其实际应用.基于压电或力-电耦合效应的智能压电声子晶体与超材料,通过调节电场即可按需调控结构的振动或波动特性,可大大拓宽传统声子晶体与超材料的应用范围.本文依据压电材料与弹性材料或结构不同的融合形式,试图将智能压电声子晶体与超材料大致分为三类:第一类为单一压电声子晶体与超材料,此类仅由单一的压电材料组成,可以外接电极也可以无外接电极;第二类为内嵌式压电/弹性复合材料型压电声子晶体与超材料,该类由压电散射体埋嵌在弹性基体中而构成,当然也可将压电材料与弹性基体的角色互换;第三类为由外贴式压电片与弹性结构组成的复合型压电声子晶体与超材料,此类将压电片外贴在弹性基体结构(杆、梁、板等)的表面.已有研究表明,相较于其他弹性波调控方式,基于压电或力-电耦合效应的智能压电声子晶体和超材料的主要优势体现在反应迅速,无须改变原有结构的固...     

水声超材料研究进展

水声材料的应用是潜艇等水下航行器实现声隐身及提升声探测性能的关键所在.近年来,随着声学超材料的蓬勃发展,各种类型的水声超材料也被提出.相比空气声,水中声波波长更长,传播损耗却小得多,故水声比同频率空气声更难以控制;此外,水介质的密度和声阻抗比空气介质大得多,常规金属不能再被视为刚性而变成弹性体,且水对结构的流体负载不能忽略,故水声超材料的设计和性能预测更为复杂.本文综述了近年来水声超材料的发展历程,主要针对吸收型、去耦型、聚焦型三类与潜艇声隐身和声探测密切相关的水声超材料,对其分类、基本特性、物理机理、研究动态等进行了详尽归纳和总结,并对其发展中面临的难题和趋势进行了探讨和展望.相比传统材料,水声超材料展现出众多超常声学特性,但仍存在低频宽带声波调控能力有限、不能有效兼顾大静压等环境要素、加工制造工艺不足等问题.未来研究中应着力克服上述不足,朝着低频宽带、全向、大平面尺度、亚波长厚度、轻量化、大耐压及多功能复合、环境适应性等方向发展,以更好地实现工程化应用.     

电力系统振荡研究进展

电力系统是现代社会的重要基础设施,也是迄今世界上最大最复杂的人造系统之一,其主体是建立在50/60 Hz工频上的自持振荡系统;但电力系统内部机械、电磁或其耦合的多时间尺度动态在特定条件下可能引发工频之外的往复能量交换,即所谓"电力系统振荡",会影响电网正常运行,造成稳定性或电能质量问题,危及设备个体和系统整体的安全性.本文探讨了电力系统振荡的概念和分类,回顾了电力系统振荡(包括低频振荡、汽轮机组次同步谐振和风电次/超同步振荡)的研究历史,并对新一代电力系统在高比例可再生能源和电力电子设备接入背景下面临的宽频带振荡问题进行了评述,展望了其建模、分析与控制研究的新挑战.     

非线性尘埃-漂移波的局域多峰结构

近十年来 ,尘埃等离子体 ,由于它在空间环境研究和等离子体材料加工过程研究中的广泛应用 ,越来越引起人们的普遍关注 .等离子体中强电尘埃的存在不仅改变了等离子体中的电磁特性 ,修正了原有的波动模式 ,而且可以激发新的极低频的波动模式 .不少作者对尘埃等离子体中的非线性现象进行了研究 ,发现了极低频静电波和电磁波 .Ｌｉｕ等人[1 ] 和Ｃｈｅｎ等人[2 ] 分别研究了非磁化和磁化尘埃等离子体中的非线性尘埃声波 ,并得到了局域孤立结构 .最近 ,Ｃｈｅｎ等人[3 ,4]研究了尘埃等离子体中一种新的极低频的电磁波 ,即尘埃 -阿尔芬波 .研究结…     

结构波动控制中的波动区域可控性和可控度

系统的可控性概念,对于线性系统,其研究已很成熟.系统可控性的概念和判据可以直接用于柔性结构的振动控制.目前,空间结构向着更柔、更大的方向发展,在一些情况中,运动明显呈现波动传播的特征.在这种背景下,波动控制的研究日益引起重视.从动力学角度看,波动与振动这两种结构响应的特性,有一些定性上的不同.本文在这个角度上,提出了系统波动控制的波动区域可控性定义以及标量可控性大小的可控度概念,给出了可控性判据,并用一简单例子,说明了波动区域可控性与经典的系统可控性不同之     

二维准晶结构排列树枝状单元左手材料的电磁响应行为

提出了一种以二维准周期晶格分布树枝结构负磁导率材料模型, 研究了电磁波以不同角度入射于周期和准晶分布的树枝状结构负磁导率材料及其与金属丝阵列组合的左手材料的微波透射及反射行为. 结果表明, 以准晶分布的负磁导率材料以及左手材料的谐振峰随微波入射角度变化的影响较小, 并且准晶分布树枝单元间耦合模式的改变, 能增强或减弱整体的谐振特性, 为实现各向同性左手材料提供了新的途径.     

基于PT对称的声波超前/延迟线

低损耗、长带宽、时间可控的声波延迟线在音频、射频、声表面波信号处理等领域具有非常广泛的应用,然而设计满足上述三点特性的声延迟线是一项极具挑战性的工作.近年来,量子力学中的宇称时间(parity-time, PT)对称概念被引入到声学系统中,其散射矩阵在特殊点处的实数本征值揭示了声波在此类系统中可实现宽带的无损传输,且传输相位可调.本文设计了一种由一对PT对称的导纳超表面及夹在中间的等效声学介质组成的声学系统,通过设置导纳超表面参数调节其工作机制,从而实现了两类互补的特殊点.其中防反射层模式下的特殊点导致了一种声波延迟线的形成,而相干完美吸收-激“声”模式下的特殊点则用于设计一种罕见的声波超前线.由于此声学损耗-增益超表面在自然界中是不存在的,本文利用可主动控制的电热声碳纳米管薄膜来模拟它.仿真结果表明,PT对称系统是实现低损耗、长带宽且时间可控的声波超前/延迟线的优良载体,其应用可扩展至包括光学、力学、弹性波等诸多波动领域.     

超低频耐压试验分析和探讨

随着电网规模的扩大,电力电缆的设计和生产要求的可靠性得到重视,而0.1 Hz超低频耐压试验以其独特的优点可能适合作为电缆内部绝缘缺陷的一种检测方法.本文应用了平板电极和同轴电极两种模型,探讨了0.1 Hz超低频试验、交流试验和直流试验的相关结果,进一步证实超低频耐压试验非常适合作为电缆内部绝缘缺陷检测.     

三维细微观结构的折叠和组装方法

近年来,尺度介于几十纳米到几百微米之间的三维(3D)细微观结构受到研究人员越来越多的关注.其原因在于,通过在先进材料中形成具有特定几何拓扑的三维细微构造,可以使得宏观材料在声、光、热、力、电学等方面表现出新的特性.这种具备天然材料中不存在的超常物理特性的材料也被称为"超材料".由于超材料在各类微系统技术中的巨大应用前景,三维细微观结构的设计与制备方法日益成为国内外的研究热点.目前除了3D打印这类较成熟的增材制造方法之外,应力控制的折叠方法和力学引导的组装方法也相继被提出,并因其在材料类型、几何拓扑、尺度范围等方面的优势,亦逐渐成为研究焦点.本文综述了这两类方法的最新进展,并对其设计原理、成形过程以及相关的理论和应用进行分析和总结.     

梯度折射率超材料透镜

超材料是由人工设计的、具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构,有负等效质量密度、负等效弹性模量、负折射率等特性.声子晶体超材料是一种具有周期性结构的超材料,其布拉格带隙或局域共振带隙的存在使处于禁带频率下的声波或弹性波进入声子晶体后无法在其中传播.其能带特性可以通过设计进行调节,使通带频率下的声波或弹性波进入具有特定结构的声子晶体后,实现成像、聚焦以及定向传输等对波传播的极端控制功能.梯度折射率超材料是一种折射率随空间变化而变化的结构.梯度折射率透镜由局部非均匀结构组成,其折射率是空间坐标的函数.波在透镜中会沿着弯曲的轨迹传播,可以通过适当的设计实现对波的弯曲、偏转和聚焦等功能.梯度折射率的设计可以通过改变局部晶体单元的性质实现有效折射率的梯度分布,如改变声子晶体的晶格尺寸、散射体的填充率、散射体的材料等.此外,梯度折射率超材料透镜能够通过设计在宽频率范围内精准聚焦波,从而实现能量采集等工程应用.本文从光学理论原理、透镜设计及其应用三方面展开介绍,首先对理论基础以及目前构建梯度折射率器件的几种方法进行总结,然后从透镜的应用角度介绍几种典型案例,最后对透镜的未来研究作出展望.     

面状分布缺陷谐振环对左手材料微波效应的影响

研究了面状分布缺陷开口谐振环(split ring resonators, SRRs)组对三维左手材料的微波透射行为的影响.用电路板刻蚀技术制备了以六边形SRRs与金属铜Wires组合为结构单元的三维左手材料样品, 利用波导法测量了含有不同空间取向面缺陷SRRs构成的三维左手材料X波段(8~12 GHz)微波透射行为. 实验表明, 相对于无缺陷情形, 面缺陷的引入使谐振峰谐振频率移动, 且红移、蓝移的情况都存在; 谐振强度明显下降, 最多达到19.3 dB, 相当于原来的46%; 通频带宽在[315~817.5 MHz]范围变化. 面缺陷的存在破坏了材料的周期性结构, 导致形成新的电磁谐振条件、谐振峰发生变化. 不同空间取向的面缺陷对材料周期性结构改变程度不同, 其缺陷效应差异较大. 相对于点缺陷、线缺陷, 面缺陷效应更强.     

基于环形蜂窝芯结构的负泊松比机械超材料

可实现负泊松比效应的蜂窝材料拥有独特的力学性能,在变体机翼柔性蒙皮等应用中,有着良好的前景.本文采用机械超材料的设计方法,改进了传统蜂窝材料的结构单元设计,提出了一种新型环形负泊松比结构,并建立了相应的力学模型.运用能量法研究了环形蜂窝芯结构的等效弹性模量与各结构参数之间的关系,建立了环形蜂窝芯在小形变范围内等效弹性模量的公式.通过有限元仿真,将理论计算结果与有限元计算结果进行对比,两者具有很好的一致性,验证了理论公式的正确性,对负泊松比机械超材料的设计与应用具有一定的指导意义.     

一种基于双极性驻极体的多气隙结构微振动能量采集器

为实现物联网的自驱动供电,本研究提出一种基于双极性驻极体的多气隙结构微振动能量采集器,驻极体材料为三明治型双极性复合驻极体膜.其基本结构单元为驻极体薄膜被放置在由微型弹簧支撑的两个振动电极中间所形成的双气隙结构.这种双气隙结构等同于两个对称的可变电容.利用驻极体所产生的静电场在电容中产生原始电势差,在振动激励下使电势差发生变化,实现电荷的流动,将振动能转变成电能.对能量采集器性能的测试结果表明,在振动频域30～180Hz范围内存在一个谐振频率和最大输出功率.最大输出功率与振动强度、气隙数、驻极体膜的面积和电场强度呈正相关.当振动强度为0.5N时,在负载电阻为55MΩ时,四气隙结构能量采集器在谐振频率97Hz处的最大输出功率达到了59.12μW.     

开口式行波热声发生器

考虑入射波和反射波, 建立行波热声系统内管末端阻抗与管口阻抗的理论模型, 详细对比管 末端封闭和开口对压力、体积流率、阻抗和声功的影响, 指出开口式行波系统的声场特点. 在此基 础上, 研制了一台开口式低频行波热声发生器, 它由环形圈、开口式谐振管、回热器和冷热端换热 器等元件组成. 以1 bar 空气为工质, 运行频率74 Hz, 在输入热量210 W 时, 管口处声压级达到 133.4 dB, 距离管口0.5 m处声压级为101 dB, 性能已达到低频声源可应用的范围. 随着研究的深入, 出口处声压级可达到150 dB, 有望解决现有低频声波发生器声压低、装置复杂、声学性能重复性差 等问题, 可以为低频远距离噪声实验或者工业声源和振动提供高声强声源.     

Euler梁的波动控制

随着航天结构向大型和柔性发展,在解决它的振动控制时,尤其是对于具有密集频率的结构,传统的模态控制法遇到了很大困难.以本文作者提出的一种波动控制方法——递减法来解决某些振动控制问题,显得很有发展前景.等截面梁的自由振动方程为     

声振动对秀丽隐杆线虫转向行为的影响

秀丽隐杆线虫是一种典型的模式生物,且其神经系统对光、电、热梯度以及化学药物等有反应.本文报道了声振动对线虫转向行为影响的研究.建立了一套实时的声波作用线虫的电脑成像系统,实现拍摄并统计分析指定区域内多条线虫的行为;基于粒子追踪与形状分析算法,量化线虫行为;利用OFV-5000模块化激光测振系统测量培养基在声波作用下的振动;通过改变声波的位移振幅及频率等参数探讨声振动对线虫转向行为的影响.定义声感系数来衡量线虫转向行为受声振动影响的大小.实验结果表明:秀丽隐杆线虫可以感受到声振动,并且对声振动具有一定的适应性;相对于野生型线虫N2,机械力感觉神经元存在缺陷的突变体线虫mec-4,mec-7对声振动的响应减弱,表明机械力感觉神经元参与了对声波的感应;对于同一频率的声波,位移振幅的增加刺激了线虫的转向行为;但在固定位移振幅下,随着频率的升高,线虫的转向行为呈现先增强后减弱的趋势.本文的工作为进一步探究声波对线虫神经系统的作用并用于治疗神经系统疾病奠定了理论及实验基础.