Elastic metasurfaces for splitting SV- and P-waves in elastic solids
虽然最近的进展已经使得可以利用亚波长超颖表面板来操纵电磁波和声波阵面，但是弹性动力学对应物的设计仍然具有挑战性。我们介绍了一种新颖而简单的设计方法来控制弹性固体中的SV波。所提出的超颖表面可以通过在固体中切割对准的平行裂纹阵列来制造，使得裂纹之间的材料充当背景介质中的板状波导。板阵能够在保持P波相位不变的情况下调制SV波的相位变化。建立了SV波入射的解析模型，计算了SV波在平板波导中的透射系数和透射相位。通过为板选择不同的厚度来实现相位延迟的完整$2π$范围。分裂SV波和P波的弹性元表面的设计和演示使用全波有限元（FEM）模拟。还提出了聚焦平面和柱面SV波的两种元表面。
2017-11-11 physics.app-ph
Steering Flexural Waves by Amplitude-Shift Elastic Metasurfaces
作为具有亚波长结构的二维材料，弹性超表面显示出通过人工边界条件任意操纵弹性波的能力。然而，目前的超颖表面的应用前景可能会受到其相位调制边界的限制。在这里，我们提出了下一代的弹性超颖表面，另外将振幅偏移调制。通过对惠更斯-菲涅耳原理的修正，提出了超颖表面控制目标波场的一般理论。作为例子，两个幅移元表面的弯曲波在薄板上进行：一个是转换成高斯光束的柱面波通过精心制作的振幅和相移，另一个是聚焦入射的振幅调制。这些例子与理论计算、数值模拟和实验测试吻合得很好。这项工作可能是设计超颖表面的基础，可以完全控制导行弹性波，并可能扩展到更复杂的应用，如模拟信号处理和全息成像。
2020-09-01 physics.app-ph
Selective Actuation Enabled Multifunctional Magneto-mechanical Metamaterial for Programming Elastic Wave Propagation
提出选择性驱动策略，仅对特定单元胞施加磁场以实现非均匀变形，将多种弹性波调控功能集成于单一磁机械超材料设计，增强其可编程性。
2025-01-21 physics.app-ph
Wide elastic wave bandgap metamaterial with single phase constituent
实现具有单一相位成分的宽弹性波带隙是发展声子超材料的主要兴趣。在本文中，利用空间周期性，一个单一的相位晶格被配置为实现在声波范围内的大的频率带隙。数值模拟揭示了在2至22 kHz范围内存在18 kHz的综合带隙，并在晶格中系统地定位相同的组成材料。布洛赫波模式解开了宽的和连接的带隙的偶极，双极和四极共振的参与。通过对机械波传输特性的分析，实验验证了凸形带隙的存在。
2021-10-22 physics.app-ph
Monolithic Elastic Metasurface Design for Advanced Wave Manipulation via a Direct Wave-Shaping Topology Optimization Approach
Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学机械与航空工程学系）
本文提出直接波形拓扑优化方法，设计高性能单体弹性超材料，实现高效率波转换、大角度波束控制及高数值孔径金属透镜，显著提升波操控性能。
2025-12-12 physics.app-ph
Efficient asymmetric transmission of elastic waves in thin plates with lossless metasurfaces
既不需要有源元件，也不需要复杂的设计，我们提出并实验证明了一个通用的框架，只使用一层无损元表面的薄板中的不失真的非对称弹性波传输。非对称透射分别源于超颖表面的相对侧上的+1和-1阶的不均匀衍射。与以前的损耗诱导策略相比，本超颖表面保持了传输侧的几乎全透射，但从相对侧的全反射，表现出更高的透射对比度。此外，我们还说明了这种强非对称行为对频率、入射角和损耗效应具有鲁棒性。目前的工作铺平了新的途径，紧凑的整流，高分辨率超声，振动和噪声控制的弹性动力学和声学。
2020-05-08 physics.app-ph
Tunable fluid-solid metamaterials for manipulation of elastic wave propagation in broad frequency range
目前设计可调局部谐振超材料的策略是基于调谐谐振器的刚度;然而，这种方法存在一个主要缺点，因为有效质量密度在高频下是恒定的。在这里，本文报道了一种可调局部弹性超材料-“可调流体-固体复合材料”-灵感来自动物和人类的心脏和血管的功能。拟议中的超材料由固体基质中的几种液体或气体内含物组成，通过一对嵌入式泵进行控制。通过理论分析、数值模拟和实验测试相结合的方法，证明了通过控制单胞中液体的分布，可以调节高频下的带隙和有效质量密度。最后，我们表明，可调谐流体-固体超材料可以用来操纵波的传播在一个很宽的频率范围内，振动隔离和波引导提供了新的途径。
2018-03-23 physics.app-ph
Uncertainty Quantification of Tunable Elastic Metamaterials using Polynomial Chaos
由于其周期性和复杂的配置，超材料工程声波和弹性波控制不可避免地遭受制造异常和偏离理论色散预测。这项工作利用多项式混沌理论来量化这些偏差的大小和程度，并评估它们对所需行为的影响。它示出，来自表面粗糙度，公差，和其他不一致的超材料的晶胞参数的不确定性改变的目标带隙宽度，位置和置信水平，它是保证。不确定性的影响是从三个不同的声子和共振细胞配置的布洛赫波色散分析，并进一步确认在有限结构的频率响应。分析的结论是一个独特的算法，旨在指导设计的超材料在系统的不确定性。
2019-09-17 physics.app-ph
Uncovering and experimental realization of multimodal 3D topological metamaterials for low-frequency and multiband elastic wave control
本文提出并实验实现了一种利用多模态局域共振的三维拓扑超材料，可在多个低频带实现偏振、频率和层依赖的弹性波控制，填补了三维拓扑超材料仅能单高频带工作且缺乏实验验证的研究空白。
2023-05-08 physics.app-ph
Deeply Sub-Wavelength Localization with Reverberation-Coded-Aperture
从远场获得关于场景的亚波长信息而无需侵入性近场操纵是波动工程中的基本挑战。然而，众所周知，波在复杂介质中的停留时间决定了波对扰动的敏感度。现代编码孔径成像器利用由复杂介质提供的自由度（DoF）作为自然复用器，但是不识别和获得将感兴趣对象放置在复杂介质外部或内部之间的根本差异。在这里，我们表明，定位亚波长对象的精度可以提高几个数量级，只需将其封闭在其远场与混响混沌腔。我们将深度学习确定为合适的噪声鲁棒性工具，以提取在多路复用测量中编码的亚波长信息，实现远远超出训练数据中可用的分辨率。我们证明了我们的发现在微波域：利用一个简单的可编程元表面的配置自由度，我们本地化一个亚波长的对象内的混沌腔的分辨率为$λ/76$使用强度只有单频单像素测量。我们的研究结果可能在光声成像以及基于反射弹性波、声音或微波的人机交互中具有重要的应用。
2021-02-10 eess.SP physics.app-ph
Boundary and interface conditions in the relaxed micromorphic model: exploring finite-size metastructures for elastic wave control
在本文中，我们建立了松弛微观模型的适定边界和界面条件，能够揭示完全有限尺寸的超材料样品的散射响应。由此产生的放松微观边界值问题的有限元模拟描述了一个正方形的超材料的样本，其侧计数9个单元格的散射。结果验证对直接有限元模拟编码的所有细节的底层超材料的微观结构。松弛的微观模型可以恢复散射超材料的行为在很宽的频率范围内，并为所有可能的入射角，从而表明它是适合于描述动态各向异性。最后，由于该模型的计算性能，我们可以设计一种将超材料和经典材料结合在一起的超结构，这种超结构可以作为一种保护装置，同时在特定的收集点提供能量聚焦。这些结果为可持续结构的短期设计开辟了重要的前景，这些结构可以控制弹性波并回收能量。
2021-05-03 physics.app-ph
Nonlocal elastic metasurfaces: enabling broadband wave control via intentional nonlocality
虽然弹性超颖表面提供了一个显着的和非常有效的方法来控制应力波的亚波长，它们在实际应用中的使用是严重阻碍了固有的窄带性能。这项工作引入了有意的非局部性的概念，作为一个基本机制，设计被动弹性超颖表面能够非常宽带的工作范围。非局部行为是通过利用非局部力来实现的，在概念上类似于非局部材料微结构中的长程相互作用，形成超表面的共振单元格的子集之间。这些远程力是通过精心制作的柔性元件获得的，其特定的几何形状和局部动力学设计用于在多个单元之间创建非常复杂的传递函数。由此产生的非局部耦合力，使实现相位梯度剖面的入射wavenumber的函数。相关的设计参数的识别和评估其对性能的影响进行了探讨，通过半解析和数值模型相结合。通过在薄板波导中嵌入全内反射设计，对非局部超颖表面概念进行了数值和实验测试。结果证实了有意非局部设计概念的可行性和实现完全被动和宽带波控制的能力。
2020-02-24 physics.app-ph
Extreme Spatial Dispersion in Nonlocally-Resonant Elastic Metamaterials
本文提出利用离域零能量模式在0 Hz处产生反常色散锥，实现极亚波长尺度下的超材料波动调控，并通过仿真实验验证及逆向设计方法加以支撑。
2023-03-02 physics.app-ph
Phononic graded meta-MEMS for elastic wave amplification and filtering
本研究受梯度超材料启发，提出声子梯度元MEMS器件，通过杂化瑞利波与兰姆波并梯度排列微谐振器，实现弹性波放大、滤波及延迟线功能，适用于传感与能量收集。
2023-06-21 physics.app-ph
Loss Compensation in Time-Dependent Elastic Metamaterials
已知具有在时间上调制的性质的材料显示波动现象，其显示能量随时间增加，其中速率由调制介导。到目前为止，还没有考虑到物质的耗散，这显然会抵消能量的增长。本文给出了弹性波或声波在有耗材料中传播的振幅的精确表达式，这些材料的性质随时间周期性地调制。据发现，这些材料可以支持一个特殊的传播制度，其中波在恒定的振幅，时间调制补偿正常的能量耗散。我们推导出一个一般的条件下，由于时间依赖性的放大抵消材料耗散。这个身份与时间调制和粘度系数的平均值相关联的带隙特性，从而提供了一个简单的配方损失补偿机械超材料的设计。
2018-01-11 physics.app-ph
Nonabelian elastic metamaterials using holonomies acquired by crossing degeneracies
Purdue University（普渡大学）
本研究提出了一种连续非阿贝尔弹性超材料波导的设计原理，通过交叉退化性产生目标非阿贝尔汇合，实现波导间非阿贝尔动力学的展现。
2026-03-14 physics.app-ph
Wave beaming and diffraction in quasicrystalline elastic metamaterial plates
在本文中，我们提出的数值和实验证据的定向波的行为，即光束和衍射，沿高阶旋转对称性的准晶弹性超材料板。这些结构是通过在弹性板上生长柱体而获得的，所述柱体遵循特定的旋转对称布置，例如8重和10重旋转对称，如通过在倒易空间中的设计过程所强制的。通过对瞬态波场的傅里叶变换，我们估计了波在板中传播的色散特性。该程序确定，数值和实验，各向异性带的存在，其特征在于高能量密度在孤立的区域在倒易空间，遵循其高阶旋转对称。特定的方向性行为展示在所确定的频带，如波波束和衍射。这项工作扩展了波的方向性现象，超越了周期性配置的对称性（例如，4-倍和6倍），并开辟了新的应用可能性，涉及不寻常的高阶波的准晶体的特点，如优越的指导，聚焦，传感和成像。
2022-01-28 physics.app-ph
Large area Waveguide Energy Harvesting Based on Fully Polarized Elastic Topological Metamaterials
Zhejiang-Italy Joint Lab for Smart Materials and Advanced Structures, School of Mechanics and Engineering Science, Ningbo University（宁波大学力学与工程科学学院智能材料与先进结构中意联合实验室）
该研究针对弹性波能量传输瓶颈，提出基于量子谷霍尔效应的全极化弹性拓扑异质结构，实现全极化分量耦合传输，能量采集效率较传统结构提升约4.79倍，为拓扑超材料能量采集应用提供新方案。
2026-08-19 physics.app-ph
Low-frequency wide band-gap elastic/acoustic meta-materials using the K-damping concept
术语“声学/弹性超材料”描述了一类具有表现出局部共振的单元的周期性结构。这种局部共振结构已被证明在接近这些局部共振的频率范围内导致负的有效刚度和/或质量。因此，这些结构在远低于基于空间周期性的带隙产生对应的区域的波长处呈现出不寻常的波传播特性（即，“布拉格散射”）。因此，声学/弹性超材料可以导致应用，特别是适用于低频范围。然而，这种超材料的低频范围应用需要非常重的内部移动质量，以及在内部振荡局部谐振结构的振幅处的附加约束，这可能阻止它们的实际实现。为了解决这个缺点，将分析K阻尼概念。根据该概念，声学/弹性超材料被设计为包括负刚度元件，以代替或补充内部谐振的附加质量。这个概念消除了对重的局部添加的重质量的需要，同时它利用了负刚度阻尼现象。分析了Bloch理论和经典模态分析在一维质中质晶格中的应用，导出了相应的色散关系。结果表明，显着的优势，比传统的质量中的质量晶格，如更宽的带隙和增加的阻尼比，并揭示了显着的潜力，在所提出的解决方案。初步的抗震元结构和低频声隔离阻尼的可行性分析证实了这一概念的强大潜力和适用性。
2017-09-06 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
Adaptive nonreciprocal wave attenuation in linear piezoelectric metastructures shunted with one-way electrical transmission lines
与弹性介质相反，它很容易实现电气元件之间的单向耦合特性，这使得电波能够单向传输。在本文中，我们探索和利用的相互作用的压电梁的单向电力传输线，以促进非互易传输的弹性波的线性方式。通过理论频散分析和数值模拟，揭示了弹性波在该压电超结构中的传播特性。结果表明，当引入单向电耦合特征时，局部谐振带隙保持在压电元结构的相反方向上。然而，在一个方向上的带隙衰减能力增加相比，传统的局部谐振元结构，其中没有电耦合之间存在的细胞，而在另一个方向上的减少。因此，在这种系统中，由于明显的带隙衰减能力，弹性波的非互易传输出现。这种非互易性的消波能力与单向电耦合系数和电池电阻大小相适应。建立了压电元结构的实验装置，实验结果验证了非互易性和自适应性。总体而言，所提出的压电元结构提供了一个线性和简洁的方法来实现自适应非互易传输的弹性波。
2021-04-08 physics.app-ph
An asymmetric elastic metamaterial model for elastic wave cloaking
弹性材料的弹性张量不对称，不引入人工体力矩是不可能的。在这里，我们证明了这种材料的可行性，通过引入旋转共振，在动态加载过程中放大的旋转惯性的微结构自然打破了剪切应力对称性，而不诉诸外部的身体扭矩或任何其他积极的手段。这一概念是通过一个现实的质量弹簧模型与分析均匀化技术和能带结构分析。它也被证明，这种超材料模型可以故意调整，以满足材料的要求所定义的转换方法的弹性波的完全控制，并明确给出的关系桥接的微观结构和所需的波功能。通过数值模拟验证了这种非对称超材料在弹性波隐身衣设计中的应用。该研究为弹性波控制转换介质及相关器件的材料设计奠定了基础。
2019-09-19 physics.app-ph physics.class-ph
Total-internal-reflection elastic metasurfaces: design and application to structural vibration isolation
本文提出了全内反射超颖表面（TIR-MS）的概念，它支持实现结构嵌入的亚波长声屏蔽弹性波在薄波导中传播。所提出的超表面设计利用经由局部谐振元件实现的极端相位梯度，以便实现大大超过临界角的操作条件。这种人工不连续性能够产生入射波的完全反射，而不管特定的入射角如何。从实际的角度来看，TIR-MS表现为在选定的频率下对长波长模式不可穿透的声硬屏障。TIR超颖表面概念首先被设想为嵌入矩形波导中的平坦界面，并且被设计为阻挡纵向S 0型导模。然后，它被扩展到圆形板，以显示如何封闭的区域可以有效地屏蔽入射波。给出了相同的物理基础，一个等效的动力学行为也数值和实验说明弯曲A0型导模。这项研究表明，数值和实验证据表明，当超颖表面被激发在目标频率，显着的振动隔离，可以实现在存在的波具有任何任意角度的入射。这些结果打开有趣的路径，以实现振动隔离和能量过滤在某些原型结构的实际工程应用的兴趣。
2018-10-28 physics.app-ph
Controlling the Propagation of Flexural Elastic Waves With Ceramic Metatiles
本文提出一种由陶瓷子瓦和硅胶接缝构成的声子晶体超瓦，通过优化几何与材料参数在低频形成宽频带隙，实验与数值结果均表明其能有效抑制瓷砖地面的纵波和弯曲波传播，从而改善冲击噪声隔声性能。
2025-07-07 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
Kirigami-based Elastic Metamaterials with Anisotropic Mass Density for Subwavelength Flexural Wave Control
提出了一种新的具有各向异性质量密度的弹性超材料设计，用于在亚波长尺度上操纵弯曲波。三维超材料的灵感来自kirigami，它可以通过切割和折叠薄金属板轻松制造。通过将谐振kirigami结构周期性地附接在主板的顶部上，可以构造超材料板，而没有使原始板的强度降级的任何穿孔。建立了弹性超材料的工作机理分析模型，并采用扩展平面波展开法计算了其色散曲线。其结果是，我们验证了各向异性的有效质量密度源于kirigami细胞的局部共振和在主机板中的全球弯曲波传播之间的耦合。最后，通过数值模拟二维kirigami超材料阵列中的定向弯曲波传播以及弹性超透镜的超分辨成像，验证了亚波长尺度弯曲波控制能力.所提出的基于kirigami的超材料具有无穿孔设计和亚波长弯曲波操纵能力的优点，这对于包括无损评估和结构健康监测在内的工程应用非常有用。
2017-10-29 cond-mat.other physics.app-ph
A multiple scattering formulation for elastic wave propagation in space-time modulated metamaterials
提出一种基于多重散射理论的通用框架，用于建模带有时空调制谐振器的弹性超材料，可计算波场并预测色散关系，并通过超梁与超表面中的非互易波传播加以验证。
2023-01-02 physics.app-ph physics.class-ph
Elastic metamaterial with simultaneously negative Mass Density, Bulk Modulus and Shear Modulus
研究了具有多个局部共振的弹性超材料。我们证明了弹性超材料可以同时具有三个负的有效参数，即，在一定频率范围内，有效质量、有效体积模量和有效剪切模量均为负。通过对谐振场的分析，阐明了三个负参量分别由偶极、单极和四极谐振引起。偶极和单极共振导致纵波的负频带，而偶极和四极共振导致横波的负频带。这两个频带具有重叠的频率范围。该系统对纵波和横波同时产生负折射。
2017-10-01 physics.app-ph physics.class-ph
Realizing topological edge states in graphene-like elastic metamaterials
本工作在不破坏对称性的条件下实现了类石墨烯弹性超材料自由边界上的拓扑弯曲边缘态，验证了弯曲波的稳健传输，并引入香农熵评估边缘态频率范围，为减振隔振提供理论基础。
2024-01-04 physics.app-ph physics.class-ph
Topological materials for full-vector elastic waves
弹性波操纵在各种尺度的应用中具有重要意义，包括微小弹性器件的信息处理和大型固体结构的噪声控制。最近出现的拓扑材料开辟了一条新的途径，在固体中调制弹性波。然而，由于弹性波的全矢量特征以及纵向分量和横向分量的复杂耦合，与操纵声波（标量波）和电磁波（矢量波但仅横向）相比，操纵弹性波通常是困难的。到目前为止，拓扑材料，包括绝缘体和半金属，已经实现了声波和电磁波。虽然弹性波的拓扑材料也有报道，但观察到的拓扑边缘模都位于畴壁上。一个自然的问题可以问：是否存在一个弹性超材料的拓扑边缘模式只在自己的边界上？在这里，我们报告了一种3D金属打印的双层超材料，在拓扑上绝缘弹性波。通过引入手征层间耦合，导出了弹性波的自旋轨道耦合，并由此得到了非平凡的拓扑性质。在单拓扑相的边界上显示出具有涡旋特征的螺旋边缘态。我们进一步展示了异质结构的超材料，表现出可调的边缘传输。我们的工作可能在基于固体中弹性波的设备中具有潜力。
2021-12-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Damping Reveals Hidden Dimensions in Elastic Metastructures Through Induced Transparency
本研究发现周期性弹性超结构中的弱非厄米阻尼缺陷可通过时间反演对称性破缺和散射干涉诱导弹性波传输复苏，从而揭示隐藏共振模式，为耗散驱动器件与无损结构监测提供新思路。
2024-05-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other physics.app-ph
Extremal micropolar materials for elastic wave cloaking
Beijing Institute of Technology（北京理工大学）；Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院）；Changsha University of Science & Technology（长沙理工大学）
针对非对称变换弹性力学所需材料在柯西弹性框架下不满足客观性的问题，本研究提出利用极值微极介质设计弹性波隐身器件，通过超材料模型实现所需参数并完成数值验证，为弹性波调控提供了新策略。
2025-03-12 physics.app-ph physics.class-ph
Time-periodic stiffness modulation in elastic metamaterials for selective wave filtering: theory and experimental investigations
我们报告的宽带到窄带的弹性波滤波所产生的时间周期调制的刚度的一维弹性波导。时间调制在调制频率的一半的整数倍的频率处产生平坦的色散带。这些平坦带导致宽带入射波在非调制介质和具有时间调制刚度特性的介质之间的界面处的选择性反射。这是由于在平带频率处群速度为零，这阻止了它们传播到调制域。因此，所考虑的调制波导被理解为单端口系统，其中宽带入射波（输入）导致在由调制限定的频率处的窄带反射波（输出）。这里的外观的时间调制波导的平带示出解析和通过数值模拟。非调制/调制接口的滤波特性的实验观察通过实施一个方波调制方案，该方案采用一个阵列的压电贴片粘结到一个弹性波导受到横向运动。贴片通过负电容分流，当连接时，实现所得机电波导的刚度降低。开关电容有效地调制波导的刚度，并示出了与等效弹性特性的时间调制相关联的滤波特性。我们设想类似的方法可以扩展到研究时间调制弹性超材料的其他特性，如弹性波的非互易性和单向滤波。
2018-04-05 physics.app-ph physics.class-ph
Free Control of Far-Field Scattering Angle of Transmission Terahertz Wave using Multilayer Split-Ring Resonators Metasurfaces
为了提高Pancharatnam-Berry（PB）相位超颖表面的传输效率，提出了多层开口环谐振器来开发编码序列。根据广义斯涅耳定律，PB相位编码超颖表面的偏转角取决于超颖表面周期大小。因此，不可能设计一个无限小的元表面单元，从而不能获得连续的透射散射角。在数字信号处理中，本研究将傅立叶卷积原理引入编码元表面序列，以自由控制透射散射角。然后在两个不同的编码序列之间执行加法和减法操作，以实现散射角的连续变化。此外，我们建立了傅立叶卷积原理可以应用于棋盘编码的元表面。
2020-09-28 physics.app-ph physics.optics
