[論文レビュー] Nonlocal elastic metasurfaces: enabling broadband wave control via intentional nonlocality

Hongfei Zhu, Timothy Walsh+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 56被引用数 92

ひとこと要約

本論文は、遠く離れた単位セル間の波数依存性を持つ結合力を生み出すように設計された柔軟な接続部を用いて、弾性メタサーフェスにおける意図的な非局所性を導入し、完全に受動的で広帯域の波動制御を実現する。実験的および数値的検証により、従来の局所的設計よりも6倍以上広い1 kHzの動作帯域（相対帯域幅24.69％）を達成し、全内部反射を介して効果的な広帯域波動遮断を実現した。

ABSTRACT

While elastic metasurfaces offer a remarkable and very effective approach to the subwalength control of stress waves, their use in practical applications is severely hindered by intrinsically narrow band performance. This work introduces the concept of intentional nonlocality as a fundamental mechanism to design passive elastic metasurfaces capable of an exceptionally broadband operating range. The nonlocal behavior is achieved by exploiting nonlocal forces, conceptually akin to long-range interactions in nonlocal material microstructures, between subsets of resonant unit cells forming the metasurface. These long-range forces are obtained via carefully crafted flexible elements whose specific geometry and local dynamics are designed to create remarkably complex transfer functions between multiple units. The resulting nonlocal coupling forces enable achieving phase gradient profiles that are function of the wavenumber of the incident wave.The identification of relevant design parameters and the assessment of their impact on performance are explored via a combination of semi-analytical and numerical models. The nonlocal metasurface concept is tested, both numerically and experimentally, by embedding a total-internal-reflection design in a thin plate waveguide. Results confirm the feasibility of the intentionally nonlocal design concept and its ability to achieve a fully passive and broadband wave control.

研究の動機と目的

• 従来の局所的共振に基づく受動的弾性メタサーフェスの固有の狭帯域性能を克服すること。
• 意図的な非局所性を用いた根本的に新しい設計パラダイムを開発し、動作帯域を拡張すること。
• アクティブ素子や複雑な制御システムに依存せずに、完全に受動的で広帯域の波動制御を可能にすること。
• 全内部反射型メタサーフェスを用いた薄板波ガイドで、この概念を実験的に検証すること。

提案手法

• 特別に設計された柔軟な接続部を介して、遠く離れた共振単位セル間に長距離結合力を導入することで、非局所的メタサーフェスを設計する。
• 非局所的結合力を考慮し、非局所スーパ Cel の動的挙動を予測可能な半アナリティカルな伝達行列モデルを開発する。
• モデルを用いて重要な設計パrameterを同定し、波動制御性能に与える影響を評価する。
• 非局所メタサーフェスを薄板波ガイドに埋め込み、数値シミュレーションおよび実験的検証を実施する。
• 3Dプリンティングを用いて構造を製作し、金属被膜を施した接続部を振動質量に接着することで、非局所的リンクを実現する。
• 白色ノイズ励振（3–6 kHz）条件下で走査レーザーDoppler振動計を用い、メタサーフェスの前後における空間平均振幅比を測定することで、性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 意図的な非局所性は、弾性メタサーフェスにおいて広帯域の波動制御を実現するために設計可能か？
• RQ2 非局所接続から生じる波数依存性の結合力は、位相勾配および波面操作にどのように影響するか？
• RQ3 非局所的弾性メタサーフェスの実現可能な帯域幅は、その局所的対応物と比較してどの程度か？
• RQ4 完全に受動的な非局所設計は、アクティブまたは局所的共振設計に比べ、動作範囲および耐障害性において優れているか？
• RQ5 製造上の誤差および材料のばらつきが、非局所メタサーフェスの実験的性能に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• 非局所メタサーフェスは、1 kHzの動作帯域（3.55–4.55 kHz）を達成し、中心周波数4.05 kHzで24.69％の相対帯域幅を示した。これは、局所的設計の約6倍の帯域幅に相当する。
• 実験結果から、メタサーフェスの後方における空間平均振幅比が顕著に低下しており、標的周波数帯域における広帯域波動遮断が確認された。
• 全フィールドの実験データから、非局所メタサーフェスの手前で振動エネルギーが大きく閉じ込められているのに対し、局所的設計ではほぼ遮断なしに透過が認められた。
• 3Dプリンティングの公差や組立誤差に起因する周波数シフトや帯域幅の低下といった製造上の偏差が生じても、非局所設計は動作範囲の著しい拡大を示した。
• 数値的および実験的結果が良好に一致しており、半アナリティカルモデルの妥当性と非局所的結合メカニズムの有効性が裏付けられた。
• この概念は一般化可能であり、本研究で検証された全内部反射型構造に限らず、他のメタサーフェスタイプへも応用可能である。