[論文レビュー] Tailoring Structure-borne Sound Through Bandgap Engineering in Phononic Crystals and Metamaterials: A Comprehensive Review

Mourad Oudich, Nikhil JRK Gerard+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2022

Acoustic Wave Phenomena Research被引用数 4

ひとこと要約

この包括的なレビューでは、周期的マイクロ構造とトポロジカル設計を活用して構造的音波を制御するためのバンドギャップ工学について、フォノニクス結晶および弾性メタマテリアルにおいて検討する。本研究は、設計されたバンドギャップが振動隔離、波ガイド、エネルギー封じ込めを可能にする仕組みを示し、3次元アーキテクチャドメタマテリアルおよびトポロジカルフォノニクス分野の最近の進展により、強固で多機能な音響制御が実現可能であることを明らかにする。

ABSTRACT

In solid state physics, a bandgap (BG) refers to a range of energies where no electronic states can exist. This concept was extended to classical waves, spawning the entire fields of photonic and phononic crystals where BGs are frequency (or wavelength) intervals where wave propagation is prohibited. For elastic waves, BGs are found in periodically alternating mechanical properties (i.e., stiffness and density). This gives birth to phononic crystals and later elastic metamaterials that have enabled unprecedented functionalities for a wide range of applications. Planar metamaterials are built for vibration shielding, while a myriad of works focus on integrating phononic crystals in microsystems for filtering, waveguiding, and dynamical strain energy confinement in optomechanical systems. Furthermore, the past decade has witnessed the rise of topological insulators, which leads to the creation of elastodynamic analogs of topological insulators for robust manipulation of mechanical waves. Meanwhile, additive manufacturing has enabled the realization of 3D architected elastic metamaterials, which extends their functionalities. This review aims to comprehensively delineate the rich physical background and the state-of-the art in elastic metamaterials and phononic crystals that possess engineered BGs for different functionalities and applications, and to provide a roadmap for future directions of these manmade materials.

研究の動機と目的

• 弾性波の伝播を制御するためにバンドギャップを有するフォノニクス結晶および弾性メタマテリアルの包括的概要を提供すること。
• 周期的および非周期的弾性マイクロ構造におけるバンドギャップ形成の物理的原理を分析すること。
• 3次元アーキテクチャドメタマテリアルおよびトポロジカルフォノニック系の最近の進展を強調し、強固な波動制御を実現すること。
• バンドギャップ工学を応用した振動隔離、センシング、オプトメカニカルシステムにおける現在の応用をマッピングすること。
• 次世代の音響的および機械的メタマテリアルのための今後の研究方向性を提示し、機能性とスケーラビリティを向上させること。

提案手法

• バンドギャップを有するフォノニクス結晶および弾性メタマテリアル分野における理論的および実験的進展についての体系的レビュー。
• 周期的および非周期的マイクロアーキテクチャにおけるブロッグ散乱および局所的共鳴に基づくバンドギャップメカニズムの分析。
• トポロジカル原理を統合し、弾性系における欠陥に強く、バックスキャッタリングに影響されない波ガイドおよびエッジ状態を設計すること。
• 複雑な3次元アーキテクチャドメタマテリアルを実現するための増 additive 製造技術の評価。
• 振動制御およびエネルギー封じ込めの応用を想定し、平面型およびマイクロスケールデバイスにバンドギャップ概念を統合すること。
• オプトメカニクスおよび構造的音響分野を含む、複数の応用分野における最先端の結果を統合すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周期的および非周期的マイクロ構造をどのように設計すれば、弾性波に対して広範かつ強固なバンドギャップを実現できるか？
• RQ2 トポロジカル不変量は、構造的欠陥や不規則性が存在する状況下でも、強固なエッジ状態およびバックスキャッタリングに強い波動伝搬を可能にする役割を果たすか？
• RQ3 増加製造技術は、複雑なバンドギャップ機能を有する3次元アーキテクチャドメタマテリアルの実現をどのように可能にするか？
• RQ4 バンドギャップ工学は、マイクロシステムおよびオプトメカニカルデバイスにおける振動隔離およびエネルギー封じ込めをどのように向上させるか？
• RQ5 実用的工学的応用への統合およびスケーリングにおいて、主な課題と今後の機会は何か？

主な発見

• フォノニクス結晶およびメタマテリアルにおけるバンドギャップ工学により、特定の周波数帯域内での弾性波伝播が完全に抑制可能である。
• トポロジカルフォノニック系は、構造的欠陥や不規則性が存在しても、エッジに沿った強固な波動伝搬を示す。
• 増加製造により製造された3次元アーキテクチャドメタマテリアルは、動的剛性および質量分布を精密に制御し、目的のバンドギャップを実現する。
• 平面型およびマイクロスケールフォノニックデバイスは、オプトメカニカルシステムにおける効果的な振動遮断およびひずみエネルギーの封じ込めを可能にする。
• 局所的共鳴とブロッグ散乱のメカニズムを統合することで、用途に応じて狭帯域または広帯域のバンドギャップを設計可能である。
• 最近の進展により、多機能的で再設定可能かつチューナブルなバンドギャップ材料が、適応的音響制御に実現可能であることが示された。