Magneto-Mechanical Metamaterials with Widely Tunable Mechanical Properties and Acoustic Bandgaps
机械超材料是一种结构化的人造材料,允许在自然界中观察不到的独特行为,使它们成为广泛应用的有希望的候选者。现有的超材料缺乏可调谐性,因为它们的特性在制造后只能在有限的程度上改变。在本文中,我们提出了一种新的磁机械超材料,允许通过变形模式分支的新概念的大的可调谐性。这种新型超材料的结构采用了使用硬磁软活性材料的非对称接头设计,该设计允许在相反方向的磁场下的两种不同的致动模式(弯曲和折叠)。随后施加机械力导致变形模式分支,其中超材料架构转变成两种明显不同的形状,这两种形状表现出非常不同的变形,并且能够实现诸如机械刚度和声学带隙之类的性质的极大可调性。此外,这种超材料设计可以与具有全局刚度可调性的磁性形状记忆聚合物结合,这进一步实现了声学行为的全局偏移。磁致动和机械致动的结合,以及形状记忆效应,为超材料的新范例注入了无与伦比的可调特性。
2020-06-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Acoustic Birefringence via Non-Eulerian Metamaterials
最近提出的超材料概念为以前所未有的方式控制波-物质相互作用开辟了令人兴奋的场所。在这里,我们证明了超材料诱导声双折射,这一现象已经发现其在光学设计光调制器或滤波器,和非线性光学元件的多功能应用的相关性。这是在适当设计的声学超材料中实现的,该声学超材料是非欧拉的,在这个意义上,在低频下,它不能被均匀化为均匀的声学介质,其行为由欧拉方程表征。由于其亚波长结构的工程可行性,这种非欧拉超材料允许人们理想地操纵双折射过程。我们的研究结果可能会产生创新的设备,如可调声分离器和过滤器。
2018-03-24 physics.app-ph
Hybrid TPMS-based Designs for Anisotropic Acoustic Metamaterials: Numerical Simulation and Topology Optimization
本文提出基于混合三周期极小曲面的各向异性声学超材料,通过穷举搜索392,178种设计优化x和y方向的带隙与通带特性,实现定向波导应用。
2025-06-04 physics.app-ph
Bridging coupling bandgaps in nonlinear acoustic metamaterials
非线性声学超材料(NAMs)在开发波操纵新技术方面开辟了新的自由。最近,通过NAM中的混沌带实现了所需的超低和超宽带波支持[Nature Commun. 8,1288(2017)]。本文描述了非线性局域共振带隙中NAMS桥接耦合的远程相互作用机制。桥接带隙产生混沌带,并在非线性谐振器之间共享负质量。通过调节桥接对之间的频率距离,可以有效地控制混沌带的带宽和消波效率。对含有两个非线性耦合共振的三原子模型的理论分析阐明了带隙桥接的原理。NAM梁创建实验证明这种机制,包括周期性解的分叉。我们的研究扩展了NAMS的内容,并预期基于此机制的更多的非线性效应。
2018-07-03 cond-mat.mtrl-sci nlin.CD physics.app-ph
Acoustic Transmission Loss in Hilbert Fractal Metamaterials
声学超材料越来越被认为是一种可行的隔音技术。分形图案构成了声学超材料的潜在突破性架构。在这项工作中,我们描述了用于声音控制目的的希尔伯特分形超材料的传输损耗的行为。本文采用阻抗管测试和有限元模型研究了具有与零阶到四阶配置相关的希尔伯特分形图案的3D打印超材料的传输损耗。我们评估,特别是,等效孔隙率和相对大小的分形图案的空腔与超材料单元的整体尺寸的影响。我们还提供了一个分析公式,涉及的声学腔共振的分形图案和频率与传输损耗的最大值,提供了机会,通过控制分形结构调整的隔音性能。
2023-03-29 physics.app-ph
Acoustic jet based on acoustic metamaterial
基于光学修正广义Luneburg透镜(MGLL)的概念,提出了一种新型梯度折射率(GRIN)声学超材料。利用MGLL,可以实现双焦点和两个焦点之间的高能量密度,这使得能够实现两个焦点之间的超长声射流。与单焦点Luneburg透镜只能实现近场短声喷流或远场超长声喷流的缺点相比,MGLL可以实现从近场到远场的声喷流。这种能力的MGLL的理论和数值证明。此外,基于声学超材料的MGLL被设计为具有可变填充比的晶格单元。数值模拟结果表明,可以获得覆盖近场和远场的超长声射流,射流长度可达30λ。
2021-10-08 physics.app-ph
Symmetry-Preserving Coupling Method for Topological Acoustic Metamaterials
在本文中,我们研究了不同类型的耦合声超材料需要保存的对称性。为了测试,我们使用SSH模型来测试不同类型的连接是否支持拓扑边缘和接口模式。我们观察到,其中谐振器通过底部耦合的模块化平台是最简单的方法,该方法准确且灵活。
2023-02-21 physics.app-ph
Acoustic Metamaterial Beam Splitter
提出了一种基于声Luneburg透镜的声分束镜。为了给声分束镜提供一种实用的实现方法,本文设计了一种具有梯度折射率的二维声Luneburg透镜。对声波通过分束镜的传播进行了理论、数值和实验研究。结果表明,在分束镜的边缘处使用一个点光源,可以在宽带频率范围内获得三个输出通道。此外,输出通道的方向可以通过改变设计参数进行调谐。
2023-03-29 physics.app-ph
Omnidirectional elastic wave attenuation via an isotoxal-star-based auxetic micro-lattice
本文介绍了一种用于低频宽带振动衰减的基于微晶格的超材料,该超材料通过工程化超材料的构建块来在所有传播方向上诱导弹性波的局部共振带隙。通过建议的结构的传输率进行检查和强大的波衰减证明了一个显着的小数目的单元格。此外,它示出的带隙是可定制的,通过几何参数,并可以利用设计一个非常宽的带隙的混合超材料。除了薄,重量轻,并能够衰减在所有方向上的弹性波,所提出的材料还具有二阶功能,表现出负泊松比,并可以铺平道路,为识别奇异的功能材料。
2019-12-17 physics.app-ph
The influence of structure geometry and material on seismic metamaterial performance
转移和控制影响基础设施的弹性振动是减轻地震灾害以及减少城市环境中的机器噪声和车辆振动的主要挑战。地震超材料(SM),其固有的能力,以操纵波的传播,提供了一个关键的路线,克服技术障碍,在这一挑战。工程SM的结构作为基础,以调整和增强其功能,并受到分裂环,瑞士卷,缺口形状和电磁和机械超材料中的基本单元的螺旋形设计的启发,我们研究改变SM的结构几何形状,目的是创造大的带隙\textcolor{black}{in a subwavelength regime}。我们发现,方形刚性夹杂物,执行更好的圆形相比,同时保持相同的填充分数。途中,以提高带隙,我们还研究了SM的性能与不同的组成材料,我们发现,钢柱,作为夹杂物,显示大的带隙,但是,柱太大,钢是一个可行的材料,在实际或财务方面。非钢筋混凝土对于该技术的工业级放大将是优选的,因为混凝土具有成本效益,易于在施工现场直接浇注,并且易于提供任意几何形状的结构。作为这项研究的一部分,我们表明,混凝土柱也可以被设计为表现出带隙,如果我们把他们周围的保护区的各种民用结构,如桥梁,建筑物,石油管道等软土涂层。
2020-07-28 physics.app-ph
Conformally Graded Metamaterials for Elastic Wave Guidance
本研究提出基于共形映射的空间梯度超材料,利用单元胞自相似性控制局部波色散,无需带隙即可实现低通弹性波导引与衰减,并提供了三维弯曲表面的系统设计框架。
2023-06-28 cond-mat.other physics.app-ph
Performing Mathematical Operations using High-Index Acoustic Metamaterials
最近在基于超材料的光学计算设备中的突破[Science 343,160(2014)]激发了对声学中的类似系统的探索,对声波执行数学运算。到目前为止,声学模拟计算已被证明使用薄平面超材料,在傅立叶域中执行所选择的算子。然而,这些所谓的滤波元表面总是伴随着附加的傅里叶变换子块,从而扩大了计算系统并阻止了其在小型化架构中的适用性。在这里,我们采用简单的高折射率声学平板波导,展示了一个高度紧凑且潜在可集成的声学计算系统。该系统直接在空间域中进行数学运算,因此没有任何傅立叶体透镜。这种紧凑的计算系统是非常有前途的各种应用,包括高吞吐量的图像处理,超快方程求解,和实时信号处理。
2018-03-07 physics.app-ph
Sound absorption in Hilbert Fractal and Coiled Acoustic Metamaterials
我们在这里描述了一类声学超材料与分形希尔伯特空间填充和线圈的几何形状,具有相等的弯曲度,以减轻噪音。实验进行使用四麦克风阻抗管和基准对非粘性和粘热有限元模型相关的配置跨越多达五个分形/几何订单。我们表明,可以预测的共振腔相关联的曲折路径的声吸收。对于给定的分形/几何形状阶数,通过使图案内的空气的最小和最大流体颗粒速度之间的差最大化,也增强了特定频率下的声吸收。这些原理可用于设计高性能声学超材料,用于在宽频率范围内的吸声。
2021-11-23 physics.app-ph
MEMS approach to low-frequency broadband acoustic metamaterials
我们实验证明了一个简单的微机电系统(MEMS)的方法,声学超材料,并观察到平均增加近6分贝的经典法律,在低频从200 Hz到1200 Hz的声音衰减。在这里,我们还发现,MEMS元结构,特别是背腔微膜,有助于22.3%的声传输损耗(STL)的增益,穿孔的填充因子小于7.6%。
2018-10-05 physics.app-ph
Multiresonant Layered Acoustic Metamaterial (MLAM) solution for broadband low-frequency noise attenuation through double-peak sound transmission loss response
噪声控制和衰减的问题在广泛的应用中是令人感兴趣的,特别是在低于1000 Hz的低频范围中。声学超材料使我们能够通过不一定依赖于大量质量的解决方案来解决这个问题,但是它们中的大多数仍然存在两个主要挑战:它们依赖于复杂的结构,使得它们难以制造,并且它们的衰减能力仅限于窄的频率带宽。在这里,我们提出了多谐振分层声学超材料(MLAM)的概念,作为一种新型的声学超材料的基础上耦合共振机制。它们的主要优点在于通过适合于大规模制造的分层配置在双峰声音传输损耗响应方面提供增强的声音衰减能力。
2021-07-16 physics.app-ph
Acoustic Willis metamaterials beyond the passivity bound
声学双各向异性,也被称为威利斯参数,通过在本构关系中提供动量和应变之间的非常规耦合来扩展声学领域。共享与电磁学的共同点,声学双各向异性的实现使得能够与适当设计的逆体积模量和质量密度合作来操纵声波。虽然整个本构参数的控制证实了有趣的理论和实际应用,威利斯超材料,使独立和精确设计的极化率尚未开发,以克服目前的限制的最大威利斯约束和非互易性固有的超材料的无源性。在这里,通过扩展最近开发的虚拟超材料的概念,我们提出了声学威利斯超材料,打破了被动性和互易性的限制,同时也实现了解耦控制的所有本构参数与设计的频率响应。通过建立基础卷积核的奇偶对称性的基础上为每个偏振响应,我们实验证明了双各向异性超出了被动介质的限制。此外,通过数字卷积的频率色散的逆设计的概念的基础上,纯非互易介质和介质的宽带,平坦响应威利斯耦合也证明。我们的方法提供了所有可能的独立可编程的极端本构参数和频率色散可调谐性的因果关系条件内访问,并提供了一个灵活的平台,实现声学超材料的全部功能。
2020-07-26 physics.app-ph
Widening, Transition and Coalescence of Local Resonance Band Gaps in Multi-resonator Acoustic Metamaterials: From Unit Cells to Finite Chains
声学超材料中的局域共振带隙具有很强的衰减性和很窄的频带宽度。后者限制了实现宽带衰减的亚波长带隙的实际能力,并且近年来激发了新颖的超材料设计。在本文中,我们研究了声学超材料的行为,其中单元格容纳以不同配置堆叠的多个谐振元件,旨在激发广泛的波传播轮廓,否则无法实现。多谐振器超材料的色散力学是使用纯粹的解析表达式来开发的,该表达式描述并解释了这种系统在单元格水平以及其有限实现的频率响应的潜在动力学。该框架揭示了并联谐振器导致超材料带隙显著加宽的上下带隙边界过渡背后的机制。该分析还说明了具有双周期超级单元的超材料能够表现出一系列色散转变,最终导致声学和光学波段的崩溃解决方案,从而实现局部共振带隙的合并,共振消失以及其间的一些有趣的场景。
2022-01-11 physics.app-ph
Ultrasound Beam Steering with Flattened Acoustic Metamaterial Luneburg Lens
我们报告基于2D和3D扁平声学超材料Luneburg透镜在40 kHz的超声波束转向。利用准保角变换(QCT)技术,求解具有Dirichlet和Neumann边界条件的Laplace方程,得到了透镜的有效特性。设计并制作了二维透镜和三维透镜。数值计算和实验结果表明,这些透镜具有优良的波束控制性能的超声波在近场和远场。
2019-12-02 physics.app-ph
Realizing spatiotemporal effective media for acoustic metamaterials
有效的介质表示是为许多基于超材料的器件提供性能设计方法的基础。虽然最近的作品在扩展到时域的有效介质的概念,直接实现仍然是失踪。在这里,我们构建了一个声学超材料动态切换两种不同的配置与时变卷积内核,它现在可以结合超材料的频率色散和时间调制。我们建立了有效介质公式,在时间上平均的压缩,密度,甚至威利斯耦合参数的两个配置。在有效介质中,不同原子的调制之间的相位无序可以忽略不计。我们的实现使一个高层次的描述超材料在时空域,使许多最近的建议,如无磁非互易性,宽带慢光和菲涅尔阻力使用时空超材料可能在未来的实施。
2021-04-09 physics.app-ph
Wide tailorability of sound absorption using acoustic metamaterials
我们提出了一个实验证明的吸声量身定做,使用声学超材料制成的谐振腔,不依赖于任何耗散材料。正如数值计算所证实的,我们特别表明,使用四分之一波长的深亚波长狭缝制成的谐振器允许入射波的声能的高限制。这导致增强空腔中的耗散,并且因此即使在宽频带上也产生强的声音吸收。最后,我们证明实验中的填充率在定制这样的吸收的关键作用,使用的超材料构成的空间螺旋腔嵌入在聚苯乙烯矩阵。由于其低密度、低体积、宽带和可定制的能力,这为隔音领域的巨大机遇铺平了道路。
2017-09-18 physics.app-ph
Sound insulation performance of multi-layer membrane-type acoustic metamaterials based on orthogonal experiments
本研究针对超材料有效隔声的难题,提出新型三层膜型声学超材料,结合正交实验优化参数,提升了100-1200Hz频段的隔声量并拓宽带宽,为隔声设计提供新方法。
2025-02-22 physics.app-ph
Sub-Bragg Phenomena in Multilayered Vibroacoustic Phononic Metamaterials
本文研究多层振动声学超材料中的亚布拉格现象,通过解析闭式模型揭示亚波长带分裂、双局域共振拓宽带隙、声学透明及等离子体带隙等效应。
2024-10-02 physics.app-ph physics.class-ph
Broadband and intense sound transmission loss by a coupled-resonance acoustic metamaterial
声学超材料的出现开辟了控制声音传输的新领域。然而,一个关键的限制是,基于单位单元中的单个局部谐振器的声学超材料产生受限的窄带衰减峰值;并且当使用多个局部谐振器时,出现的衰减峰值-虽然很多-每个仍然很窄并且由通带分开。在这里,我们提出了一种新的声学超材料的概念,通过两个反共振产生声音传输损耗-在一个带隙中-完全耦合,因此提供了一个宽带衰减范围;这是除了提供一个隔离强度,超过90分贝的两个峰值。下面的耦合谐振机制以具有内部连续孔$-$的单面板、单材料柱撑板结构的形式实现,这是一种实用的配置,其适合于对感兴趣的频率范围(低至亚千赫兹)进行设计调整和优化,并且适合于大规模制造。
2021-06-04 physics.app-ph
Singular Topological Edge States in Locally Resonant Metamaterials
本研究针对局域共振诱导带隙内难产生拓扑边缘态的问题,通过反演对称扩展SSH链模型结合实验,证实同时实现拓扑相变与带隙转变可在该带隙内产生亚波长级局域拓扑边缘态,拓展了拓扑超材料研究范围。
2024-08-17 cond-mat.other physics.app-ph
A frequency-preserving and time-invariant metamaterial-based nonlinear acoustic diode
我们提出了一个声学二极管或整流器的实现,利用破坏性的非线性效应,如谐波产生和波混合和超材料的过滤能力。与以前的声二极管实现相比,本质的区别和优点在于,本发明同时是时不变的、频率保持的和可切换的设备。这使得它的应用程序也作为一个通断或振幅调谐开关。我们通过数值研究来评估其性能,并在初步的实验实现中证明了其可行性。这项工作可能会提供新的机会,实际实现的单向波传播特性的结构部件。
2018-10-24 physics.app-ph
Experimental Observation of Efficient Nonreciprocal Mode Transitions via Spatiotemporally-Modulated Acoustic Metamaterials
在无损声学系统中,模式转换总是时间可逆的,与洛伦兹互易性一致,从而引起时空中的对称声音操纵。为了克服这一根本性的限制,打破时空对称性,非互易声转向是通过设计和实验实现时空调制声学超材料。该机构不依赖于缓慢的机械部件、不稳定的噪声气流或复杂的压电阵列,而是利用压电薄膜与外部电磁场的耦合,实现了声阻抗的可编程、动态控制,实现了静态、无噪声的声阻抗控制。我们的紧凑型超材料实现了深亚波长尺度的快速灵活的阻抗调制,提供了一个有效的时空单向动量,以实现不同衍射模式之间在k-ω空间的不可逆跃迁。所提出的超材料的非互易波转向功能阐明了理论推导的随时间变化的声学响应,并通过两个独特的例子,单向倏逝波转换和非互易蓝移聚焦的数值和实验证明。这项工作可以进一步扩展到Bloch波的范式,并影响其他振动领域,如非厄米拓扑声学和宇称时间对称声学。
2021-03-18 physics.app-ph
Wave propagation in infinite nonlinear acoustic metamaterial beam by considering the third harmonic generation
非线性声学超材料(NAM)开创了控制弹性波的新领域。在这项工作中,弯曲波传播的半无限NAM梁组成的周期Duffing谐振器的报告,考虑三次谐波产生(THG)。提出了不同的分析方法来描述波在等效均匀介质中的传播。通过与有限元法的比较,验证了该方法的有效性和准确性.我们揭示了分析和数值广泛的物理性质的强非线性AM,包括在一个细胞的非线性共振,有效密度,非线性局部共振(NLR)的带隙,传播和耦合的基波和三次谐波。这些特征是高度相关的,这有利于预测的功能。在近场,这些特征的相同的分叉频率作为基波的NLR带隙的起始频率,其宽度对于较强的非线性较窄。而在远场中,NLR带隙表征了导致自适应带宽的距离幅度依赖行为。此外,无限NAM的通带内的传输不同于有限NAM的混沌带效应,它受到移动的NLR间隙的影响。我们的工作将促进未来的研究和建设NAMs与新的性能。
2018-08-15 physics.app-ph
Phased Gradient Ultra Open Metamaterials for Broadband Acoustic Silencing
本文提出相位梯度超开放超材料(PGUOM),通过三个单元胞上的相位梯度将入射声波转换为伪表面波,在保持高通风性的同时实现可调节开放性和持续宽带隔声,并经理论、数值与实验验证。
2024-11-22 physics.app-ph
Topology optimization of pentamode metamaterials for underwater acoustics
Politecnico di Milano(米兰理工大学);Aix-Marseille Université(艾克斯-马赛大学)
本研究提出了一种自动化拓扑优化方法,用于设计水下应用的五模声学超材料,通过结合低频均质化和共轭方法,实现流体行为并提高结构连通性与可制造性。
2026-02-27 physics.app-ph
Transmission Loss of a Labyrinthine Acoustic Metamaterial Augmented with Multichannel Feedforward Active Noise Control
University of Southampton(南安普顿大学);Duke University(杜克大学);University of Sussex(萨塞克斯大学);Metasonixx Ltd(Metasonixx有限公司)
本文提出将传统前馈主动降噪与迷宫型超表面结合,以提升空间区域内的降噪效果。
2025-09-27 physics.app-ph
Acoustic Zero-Index Metamaterials for Leaky-Wave Antennas
本文提出基于空间盘绕 DZIM 的 ADLWA,通过偶然简并和类 Dirac 色散实现高辐射效率、频率可调波束扫描及移动声源探测。
2024-10-27 physics.app-ph
Design of tunable acoustic metamaterials with periodic piezoelectric microstructure
设计了一种创新的特殊类型的可调谐周期性超材料,适用于实现高性能的声学滤波器。超材料由耦合到局部谐振器的声子晶体组成。这种局部谐振器由封装在压电环中的质量组成,由耗散或非耗散电路分流。通过调谐这样的电路的阻抗/导纳,可以完全调节分流压电材料的本构性质。这一特性为非常规行为铺平了道路,远远超出了经典材料所能实现的能力。由此可见,周期性超材料的声学特性可以自适应地修改,进而为通带和阻带的控制开辟了新的可能性。通过利用推广的Floquet-Bloch理论,平面内自由波在可调超材料中的传播进行了研究,通过改变一定的调谐参数,以显示所提出的分流压电系统作为波传播控制装置的效率。特别注意的是专门用于确定的分流压电相在变换拉普拉斯空间的平面内的本构方程。最后,广泛的可调谐声滤波器的设计方向,旨在实时变化的性能要求,也提供了。
2021-09-26 physics.app-ph
Observation of roton-like dispersion relations in acoustic metamaterials
Roton色散关系在有限动量下呈现明显的“Roton”最小值,这一关系首先由Landau预言,并在低温关联量子系统中得到了广泛的研究。近年来,理论上将类似于Roton的色散关系推广到了经典声学中,但在实际应用中仍然难以实现。在这里,我们报告的实验观察,在环境温度下的超最近邻相互作用的声学超材料的类Roton色散。由此产生的超材料支持多个共存模式,具有相同频率和宽带反向波的不同波矢和群速度,类似于费曼在旋子的上下文中称为“回流”。此外,通过增加长程相互作用的阶数,我们在单个色散带上观察到了多个转动子,这在朗道的预测或其他凝聚态研究中从未出现过。在超材料中实现类旋子色散可以为探索经典系统中量子激发现象的新物理和应用铺平道路。
2021-09-13 physics.app-ph
Design and experimental validation of a finite-size labyrinthine metamaterial for vibro-acoustics: enabling upscaling towards large-scale structures
本文设计并实验验证了一种基于二维单胞和夹层板构型的有限尺寸迷宫型超材料,通过Bloch-Floquet优化实现低中频带隙,并借助界面与空气耦合优化使其振动声学抑制性能大幅超越传统基准方案。
2024-04-16 physics.app-ph
Systematic design and experimental demonstration of transmission-type multiplexed acoustic meta-holograms
声全息在声场重建、粒子操纵、超声触觉和治疗等方面有着广阔的应用前景。本文报道了通过合理设计的透射型声学超材料在音频和超声频率下的多路声全息图的理论、数值和实验研究。所提出的元全息图由每个单元格的两个法布里-珀罗谐振通道组成,这使得能够在两个期望的频率下同时调制透射的振幅和相位。与传统的基于声学超材料的全息图相比,这里提出的设计策略提供了一个新的自由度(频率),可以主动调整全息图,否则完全被动,因此显着增强了编码在声学超材料中的信息。为了演示多路复用声学超材料,我们首先展示了两个不同的高质量元全息图在14 kHz和17 kHz的投影,其中字母N和S的图案。然后,我们演示了两个通道的超声聚焦和环形波束的产生为35 kHz和42.5 kHz的入射超声频率。这些多路复用声学元全息图提供了技术进步,以应对声学超材料,建筑声学和医疗超声领域不断上升的挑战。
2021-01-07 physics.app-ph
Realizing non-Hermitian tunneling phenomena using non-reciprocal active acoustic metamaterials
本文提出一种含麦克风与扬声器的主动声学超材料,通过分布式反馈控制在波导中实现非厄米隧穿,并经有限元仿真与实验验证。
2025-07-23 physics.app-ph
Uncertainty Quantification of Bandgaps in Acoustic Metamaterials with Stochastic Geometric Defects and Material Properties
Duke University(杜克大学)
本文研究谱投影与多项式混沌展开等不确定性量化技术,通过可解释的几何缺陷编码与稀疏网格采样,在1D和7D场景中大幅减少采样需求并准确表征声学超材料的带隙响应。
2023-10-19 cs.SD eess.AS physics.app-ph
Digitally virtualized atoms for acoustic metamaterials
通过设计具有结构化原子的定制共振模式,超材料允许我们从天然或复合材料中获得其有限范围之外的本构参数。尽管如此,调谐本构参数在很大程度上依赖于我们在构造超材料原子时修改物理结构或介质的能力,这对许多实时应用中的可调谐范围构成了根本挑战。在这里,我们提出了一个全新的概念,虚拟超材料解除传统的边界固有的超材料原子的物理结构。通过用具有快速数字信号处理电路的设计者数学卷积核替换共振物理结构,我们表明,通过软件定义的频率色散,可以按需对超材料的有效体积模量和密度进行解耦控制。在关模操作中对入射波无干扰,同时在开模中提供可自由重构的振幅、中心频率、带宽和频率色散的相位延迟,我们的方法为波的成型增加了一个额外的维度,可以作为时变超材料的基本构建模块。
2019-07-17 physics.app-ph
Structure-Composition Correspondence in Crystalline Metamaterials for Acoustic Valley-Hall Effect and Unidirectional Sound Guiding
近年来,拓扑绝缘体在凝聚态物理领域有了许多有趣而令人兴奋的发现。值得注意的是,根据行进电子的自旋将电流引导向特定方向的能力对于电子设备具有巨大的潜力。这一新的现象已经被转移到电磁学和声学的经典领域,揭示了导波的赝自旋锁定。然而,这些宏观类似物是固有波长缩放的光子/声子晶体。在这项工作中,我们实现了一个真正的声学模拟的山谷霍尔效应在可听制度使用的苏打罐的格子。这种非常简单的超材料的晶体描述使我们能够通过实验证明,在远小于工作波长的尺度上引导声音的单向激发。这些结果不仅打开了诱人的山谷拓扑现象的可听制度,但也允许设想紧凑的应用程序的声学操纵。
2020-04-21 physics.app-ph
Analytical Study of a Monolayered Vibroacoustic Metamaterial
本研究针对单层薄膜-空气腔振动声学声子超材料,提出薄膜位移场的单项精确解析解,结合传递矩阵法与Bloch-Floquet定理表征带结构,分析多种带隙的相互作用及有限系统的超窄通带效应,为低频声波调控提供理论支撑。
2024-08-19 physics.app-ph physics.class-ph
Unfolding engineering metamaterials design: relaxed micromorphic modeling of large-scale acoustic meta-structures
在本文中,我们提出了一个单位细胞显示在较低的声学域的带隙。相应的超材料由这种单元的周期性排列组成。我们严格地表明,只要考虑足够大的样品,松弛的微观模型可以用于大尺度的超材料设计。我们制造的超材料通过金属蚀刻程序应用到钛板,以表明其生产的现实应用是可行的。实验测试也证实了超材料的响应与理论设计是一致的。为了表明我们的微观模型在亚结构设计中开辟了前所未有的可能性,我们设想了一种有限尺寸的结构,该结构能够将弹性能量集中在一个有限的区域中,从而使其能够随后重新使用。事实上,由于引入了一组适定性的微观边界条件,我们可以将不同的超材料和经典柯西材料结合起来,使得振动源产生的弹性能量集中在特定的收集点。这种结构的设计本来是不可能的(通过例如,直接模拟),这是由于亚结构的大尺寸,包括数百个单位单元。
2022-04-14 physics.app-ph
Seismic Negative Belt of Acoustic Metamaterials
介绍了一种人工地震阴影带的防震地震负带。该带由密度与模量之间的一个组成参数为负的吸声材料组成。它将地震波的速度转换为虚部,然后为地震频率范围创建阻带。带是地震波的衰减器,其以指数方式减小波的振幅。地震能量通过地下带后,在空气中转化为声和热,地震波的强度减弱,常规方法难以防御。提出了适用于工程的负密度和负模量模型。
2017-10-30 physics.app-ph
Active Willis metamaterials for ultra-compact non-reciprocal linear acoustic devices
Willis材料是复杂介质,其特征在于四个宏观材料参数,常规的质量密度和体积模量以及两个附加的Willis耦合项,其已被证明能够对机械波的传播进行无与伦比的控制。然而,几乎所有以前的研究威利斯材料涉及被动结构,已被证明有限制,可实现的威利斯耦合条款。在这篇文章中,我们实验表明,线性有源威利斯超材料打破这些限制,使高度非互易的声音传输非常亚波长结构,通过其他方法无法实现的功能。此外,我们提出了一个实验程序来提取有效的材料参数表示的声学极化率的介质中,威利斯耦合条款允许独立变化。这里提出的方法将使新一代的威利斯材料,增强声音控制和改善声学成像和信号处理。
2019-01-21 physics.app-ph
Acoustic metamaterials with spinning components
利用多重散射理论和有效介质理论,我们发现由旋转圆柱阵列组成的声学超材料可以拥有一系列不寻常的特性,包括折叠体和亚波长区域的界面态带。带的折叠起源于旋转引起的有效压缩性的反共振,其频率在旋转圆柱体的角速度,以及在旋转多普勒效应,打破了手征对称性的有效质量密度。随着纺丝筒体填充率的增加,体相带和界面态带都呈现出显著的变化。特别地,当超过临界值时,出现零频率间隙。单向界面态具有有趣的非常规特性,数值模拟显示了其强的单向输运特性。
2019-05-17 physics.app-ph
Time Varying Resonators in Acoustic Waveguides: A Transfer Matrix Formalism for Space-time Modulated Metamaterials
本文提出一种基于模式匹配的传输矩阵方法推广,用于研究声波导管中通过改变腔长调制的时变侧支谐振腔系统,预测了反射和透射场中类多普勒项的产生及其对能带结构的影响。
2025-04-04 physics.app-ph
Numerical optimization of a prestressed auxetic metamaterial for vibration isolation
我们提出了一个增强的周期性拉胀超材料的数值研究。旋转正方形机制与预压缩诱导屈曲相结合,赋予这些弹性结构奇异的性质。首先比较了参考结构和增强结构的静态特性。通过数值分析确定了几种能带计算方法之间的差异,我们展示了预压应力场对超材料色散图的影响。然后进行优化研究,以评估新设计获得的潜在隔振改进。其结果是,带隙宽度和范围被发现大大增加的几何修改建议。
2019-07-15 physics.app-ph
Space-Time Elastic Metamaterials for Zero-Frequency and Zero-Wavenumber Bandgaps
本文利用光捕获力构建时空弹性超材料,通过非接触操控质量-弹簧链,首次在弹性动力学系统中同时实现零频率和零波数带隙。
2025-05-06 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
Disorder-immune photonics based on Mie-resonant dielectric metamaterials
当光子结构的特征尺寸变得与光波长相当或甚至小于光波长时,制造缺陷不可避免地引入可能消除亚波长光子器件的许多功能的无序。在这里,我们提出了一个新的概念,以实现一个强大的带隙,可以忍受超过30的无序作为一个结果,从光子晶体米氏共振超材料的过渡。通过利用具有高折射率的Mie共振超材料,我们证明了光子波导和腔具有很强的鲁棒性的位置无序,从而提供了一种新的方法,基于带隙的纳米光子器件具有新的性能和功能。
2019-09-25 cond-mat.dis-nn physics.app-ph physics.optics
Dynamics of Coupled Metamaterials: Acoustic Black Hole, Local Resonator & Multistable Oscillator
本文研究了耦合超材料的动力学,包括耦合声学黑洞与局部共振器的超材料梁的波传播,以及一维超材料链中的多稳态非线性振荡器,为工程结构的振动衰减提供新方法。
2024-06-18 physics.app-ph physics.class-ph
Multi-Frequency Acoustic Steering in Rationally Pruned Disordered Networks
波的频率是理解其在结构化介质中传播的关键参数。虽然超材料可以被设计成将变形或波聚焦或转向特定位置,但以不同频率转向多个目标位置的波仍然具有挑战性。在这里,我们表明随机弹性网络的修剪允许实现这样的多目标,多频率声学转向。我们的研究为合理设计多频声学超材料开辟了一条可行的途径。
2022-12-23 physics.app-ph
Eigenmode-Guided Amplification via Spatiotemporal Active Acoustic Metamaterials
本文提出时空增益-损耗框架,通过交叉耦合非线性反馈实现耦合声学谐振器中本征模的确定性操控,并利用时空扰动突破对称性限制,实现可编程声学能量路由。
2025-11-10 physics.app-ph
On the wave dispersion and non-reciprocal power flow in space-time traveling acoustic metamaterials
本文研究了局部共振声异向介质中非互易波频散问题。推导了基材料和谐振元件的惯性和刚度参数随时间变化的色散关系。结果表明,由此产生的色散偏置onsets有趣的功能,最终在一个打破了声学和光学传播模式和单向本地谐振带隙。推导出的能带结构使用的全瞬态位移响应的有限的超材料进行了验证。提出了一个数学框架来表征调制声学超材料中的功率流,以量化与非互易响应相关的能量传输模式。由于局域共振带隙是尺寸无关的和频率可调的,结果使一类新的亚波长低频单向波导的合成。
2018-01-10 physics.app-ph physics.class-ph
Functional acoustic metamaterial using shortcut to adiabatic passage in acoustic waveguide couplers
量子到绝热通道(STAP)是为了加速量子量子态的绝热转移而提出的,在量子光学和集成光学中得到了广泛的研究和应用。本文将STAP引入声学领域,设计紧凑型耦合器和功能性超材料。利用三能级系统中的缀饰态,对声波导的空间变化耦合强度进行了剪裁,使三个短长度声波导之间的声能传递达到理想的效果.结果表明,当中间波导中引入损耗时,声耦合器具有单向特性。更独特的是,当声波的传播被设计为模仿Hadamard变换时,可以通过阵列多个耦合器来构造声学超材料,该声学超材料具有波束分裂功能和单向宽带性能。我们的工作将STAP与声学耦合器以及超材料连接起来,这可能对探索量子技术以促进先进声学器件产生深远的影响。
2022-06-03 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Ultra-broadband suppression of sound scattering via illusion metamaterials
针对传统声散射抑制方法带宽有限的问题,提出采用精密结构的亚波长通道幻象超材料引导声波绕障并重构波前,实现超宽带声散射消除与两种幻象效应,推动宽带功能超材料发展。
2023-04-22 physics.app-ph