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恭喜课题组在物理顶级期刊《Applied Physics Letters》上发文:首次对声学超材料超低频带隙结构实验验证




图1.《Applied Physics Letters》在线发表课题组文章


近日,课题组周加喜副教授与博士研究生王凯利用永磁铁环与线性弹簧,首次搭建了准零刚度型声学超材料实验样机,从理论与实验的角度,验证了准零刚度结构在构建超低频声学超材料的基本原理,拓展了声学超材料结构在超低频弹性波操控、超低频弹性波能量采集等领域的应用。该研究成果以:“Low-frequency band gaps in a metamaterial rod by negative-stiffness mechanisms: Design and experimental validation“ 为题发表在《Applied Physics Letters》。本论文的理论工作由第一作者王凯博士在周加喜副教授、徐道临教授以及英国利物浦大学Huajiang Ouyang 教授的指导下完成,实验测试工作主要由课题组硕士研究生王强完成。


图2. 准零刚度型声学超材料结构示意图


带隙结构的调控是声子晶体研究领域的主要研究内容。当弹性波/声波的频率处于带隙范围内时,其在声子晶体结构中的传播将会被明显抑制,这给弹性波/声波操控带来了新的可能。声子晶体结构产生带隙的机制主要有两种,即布拉格散射与局域共振。然而,布拉格散射带隙的位置与晶格常数息息相关,较大的晶格常数(结构尺寸)是获得低频带隙的必备条件,这极大的限制了声子晶体在低频区域的应用。因局域共振带隙的带隙位置仅与局域振子的共振频率相关,这给使用小尺度声子晶体结构对低频弹性波进行控制提供了可能。然而,如何设计具有超低共振频率的局域共振子又阻碍了声子晶体研究的进一步发展。课题组在前期工作中,已经证明准零刚度机构在超低频带隙声子晶体设计中的优势,但是一直缺乏足够的实验验证。


图3. 局域共振子静力学特性测试


在这项工作中,通过并联轴向充磁的永磁铁环与线性弹簧,搭建了结构小巧紧凑的准零刚度型局域共振子。将局域共振子通过圆环形橡胶块进行连接,得到了准零刚度型声学超材料结构。为了得到该准零刚度型声学超材料的理论色散关系,该周期结构被简化为弹簧质量模型。借用谐波平衡法,获得了该超材料结构的理论带隙结构,并评估了系统参数对带隙结构的影响。在实验测试过程中,首先利用弹簧试验机对局域共振子的静力学特性进行了测试,从刚度的角度对准零刚度原理进行了验证。其次,将超材料结构进行悬挂,并使用激振器对超材料结构的一端进行谐波激励,使用加速度传感器采集首尾两端的加速度相应,对比两端加速度响应获得弹性波在超结构结构中的传播特性。实验结果显示,实验测试的加速度传递率曲线与理论计算的带隙结构匹配良好,且与基本原理基本吻合,即引入准零刚度机构,可以明显降低弹性波带隙的位置,在较低频率范围内实现带隙结构。该研究工作为利用超材料结构实现低频弹性波操控提供了理论与实验依据,拓展了声学超材料在超低频弹性波控制领域的应用范围,使其在低频振动控制、低频滤波器设计以及低频振动能量采集等领域均具有良好的应用前景。


图4. 准零刚度型声学超材料实验样机与测试设备


图5. 准零刚度型声学超材料带隙结构


本工作受到国家重点研发计划(2017YFB1102801)、国家自然科学基金(11572116)、湖南省研究创新基金以及国家留学基金委的资助。

文章全文链接: https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5099425#suppl


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