[论文解读] 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 4

一句话总结

本综述全面探讨了声子晶体和弹性超材料中的带隙工程，以控制结构声传播，利用周期性微结构和拓扑设计实现波的调控。研究表明，通过定制的带隙可实现振动隔离、波导传输和能量局域化，近年来3D结构化材料和拓扑声子学的进展使得稳健、多功能的声学调控成为可能。

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.

研究动机与目标

• 提供关于通过带隙工程实现的声子晶体和弹性超材料的全面综述，以控制弹性波传播。
• 分析周期性和非周期性弹性微结构中带隙形成的物理原理。
• 突出3D结构化超材料和拓扑声子系统在实现稳健波控方面的最新进展。
• 绘制带隙工程材料在振动隔离、传感和光机械系统中应用的现状。
• 概述下一代具有增强功能性和可扩展性的声学与机械超材料的未来研究方向。

提出的方法

• 系统性综述声子晶体和具有工程化带隙的弹性超材料在理论与实验方面的最新进展。
• 基于布拉格散射和周期性与非周期性微结构中的局域共振机制，分析带隙形成机理。
• 引入拓扑原理，设计在弹性系统中具有鲁棒性、对缺陷不敏感的波导和边缘态。
• 评估增材制造技术在实现具有定制动态响应的复杂3D结构化超材料中的作用。
• 将带隙概念整合到平面和微尺度器件中，用于振动控制和能量局域化应用。
• 综合多个应用领域（包括光机械学和结构声学）的最先进研究成果。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计周期性和非周期性微结构，以在弹性波中产生宽而稳健的带隙？
• RQ2 拓扑不变量在弹性系统中实现鲁棒边缘态和抗背向散射波传播中发挥何种作用？
• RQ3 增材制造技术如何实现具有复杂带隙功能的3D结构化超材料？
• RQ4 带隙工程在微系统和光机械器件中如何增强振动隔离和能量局域化？
• RQ5 在将带隙工程材料扩展并集成到实际工程应用中时，面临的关键挑战与未来机遇是什么？

主要发现

• 声子晶体和超材料中的带隙工程可在特定频率范围内完全抑制弹性波传播。
• 拓扑声子系统在存在结构缺陷或无序的情况下，仍能实现沿边缘的鲁棒波传输。
• 通过增材制造技术制造的3D结构化超材料，实现了对动态刚度和质量分布前所未有的控制，从而实现定制化带隙。
• 平面和微尺度声子器件在光机械系统中实现了有效的振动屏蔽和应变能局域化。
• 通过整合局域共振和布拉格散射机制，可根据应用需求设计出窄带或宽带隙。
• 近期进展表明，多功能、可重构和可调谐带隙材料在自适应声学控制中具有可行性。