Front. Mech. Eng.综评文章丨波控制声学、声子和机械材料的发展

由于任意波控制在成像、传感和通信中的重要性，其在科学和工程领域尤其受到关注。在过去的二十年中，自2000年实现第一个具有负有效弹性常数的声学超材料以来，设计具有前所未有的波控制功能的新型结构和人工复合材料一直是研究界的热点（Liu等人，2000）。声学超材料是由深亚波长晶胞组成的结构材料，可基于共振实现不同的有效动态特性（Cummer等，2016）。例如，第一种声学超材料的负有效质量密度是通过在晶胞的偶极共振附近运行来实现的（Mei等，2006）。同时，通过在晶胞的单极共振附近工作，可以实现具有负有效体积模量的声学超材料（Fang等人，2006）。当设计晶胞结构以获得与负密度和体积模量相关的频带重叠时，有效折射率变为负值（Lee等，2010）。具有负折射率的超材料可用作超分辨率成像的超透镜（即以深亚波长分辨率成像超出衍射极限）（Kaina等，2015）。除了基于共振的超材料之外，还开发了具有周期性结构的声波晶体和声子晶体，通过布拉格散射来诱导频带隙以进行波导和滤波（Martínez-Sala等，1995）。

这些新概念后来扩展到机械结构和材料中，用于操纵弹性波、应力和变形（Beroldi等，2017）。具有负泊松比的拉胀超材料设计为具有倒六边形图案结构（Lakes，1987）。变形中晶胞手性的智能设计使压缩和扭曲之间的转换成为可能（Frenzel等，2017）。晶格缺陷用于调节机械晶格中的应力分布（Paulose等，2015）。古老的折纸和剪纸技术也激发了许多用于变形控制的机械材料的新设计，以实现可展开结构、柔性医疗支架和柔性电子设备（Melancon等，2021）。应用旋转陀螺仪来诱导拓扑效应，使弹性波沿机械晶体边缘稳健单向传播（Wang等人，2015年）。拓扑机制用于控制域壁的传播（Kane和Lubensky，2014）。晶格结构的非线性是为实现非互易力学而实现的（Coulais等，2017）。最近，这些新获得的机械性能已与声学超材料的设计相结合，以实现自适应软声学隐形斗篷（Xue和Zhang，2021）。Zhang和Wang在本集的“Boundary Reflections of Rolling Waves in Cubic Anisotropic Material ”一文中讨论了各向异性材料中滚动弹性波的控制。

 

虽然实现前所未有的材料特性仍然是一个令人兴奋的追求方向，但研究界的重点已开始转向新功能的实际应用。具有负折射率的声学超透镜具有实现超分辨率成像的潜力，但亚波长图像只能在透镜附近形成的事实限制了其在生物系统中的应用。相反，超声造影剂包括微气泡和相变纳米液滴提供了更加实用的解决方案。具有微米级分辨率的超声定位显微镜是使用血液中流动的微泡开发的，用于可视化小鼠的脑血管系统（Errico等，2015）。相变纳米液滴的使用有可能进一步提高成像质量（Luke等，2016）。然而，由于强烈的声阻抗不匹配和颅骨的孔隙率，头骨的存在阻碍了包括人类在内的大型哺乳动物的高质量超声脑成像的实现。设计了一种无源声学超材料以匹配声阻抗并减少超声反射（Shen等，2014），但对孔隙率引起的声衰减的未知使得超材料在改善经颅超声传输方面不切实际。提出了一种有源非厄米互补声学超材料，以同时抵消阻抗失配和孔隙率引起的损耗（Craig等人，2019年）。在此文集中，Craig等人在“Non-Hermitian Complementary Acoustic Metamaterials for Imaging through Skull with Imperfects”一文中，介绍了颅骨缺陷对使用非厄米特互补声学超材料改善经颅超声性能的影响，表明经颅超声传输显著增加设计得当的超材料甚至可以用于几何形状和均匀性不完美的头骨。

 

超材料实际应用的另一个主要挑战来自其基于共振的设计的性质，限制了用于控制波的工作频带，特别是低频可听范围。在本系列的“Low-Frequency Broadband Acoustic Metasurface Absorbing Panel”一文中，Ji等人耦合多种类型的谐振器，以扩展低频吸声的工作带宽。

Wang等人，在本系列的“A Composite Perforated Partitioned Sandwich Panel with Corrugation for Underwater Low-Frequency Sound Absorption”一文中，设计了一种用于吸收水下低频声波的复合穿孔隔断夹芯板。

除了吸声外，声反射的控制需要谨慎的设计。在此文集中，Qin等人，在“Acoustic Wave Reflection Control Based on Broadband Differential Phase Shifters”一文中，提出了一个由差分移相器组成的超表面，以实现对声音反射的宽带控制。

 

除了超材料的设计，声子晶体也常用于控制波的传播。Reyes等人在本系列文章“Optimization of the Spatial Configuration of Local Defects in Phononic Crystals for High Q Cavity”中应用了声子晶体中的缺陷以实现高品质因数腔。

Lucklum等人在本系列文章“Phononic Crystal Sensors: A NewClass of Resonant Sensors – Chances and Challenges for the Determination of Liquid Properties”一文中讨论了使用声子晶体作为一类新的谐振传感器。

 

开发用于控制声波和弹性波的新材料将继续成为科学和工程研究界的热门话题。我们希望读者会发现这本合集对他们未来在结构材料和波传播方面的研究有所启发。

 

参考文献

Bertoldi, K., Vitelli, V., Christensen, J.,and van Hecke, M. (2017). Flexible Mechanical Metamaterials. Nat. Rev. Mater.2, 17066. doi:10.1038/natrevmats.2017.66

Coulais, C., Sounas, D., and Alù, A.(2017). Static Non-Reciprocity in Mechanical Metamaterials. Nature 542,461–464. doi:10.1038/nature21044

Craig, S. R., Welch, P. J., and Shi, C.(2019). Non-Hermitian Complementary Acoustic Metamaterials for Lossy Barriers.Appl. Phys. Lett. 115, 051903. doi:10.1063/1.5110501

Cummer, S. A., Christensen, J., and Alù, A.(2016). Controlling Sound with Acoustic Metamaterials. Nat. Rev. Mater. 1,16001. doi:10.1038/natrevmats.2016.1

Errico, C., Pierre, J., Pezet, S.,Desailly, Y., Lenkei, Z., Couture, O., et al. (2015). Ultrafast Ultrasound Localization Microscopy for Deep Super-Resolution Vascular Imaging. Nature 527,499–502. doi:10.1038/nature16066

Fang, N., Xi, D., Xu, J., Ambati, M.,Srituravanich, W., Sun, C., et al. (2006). Ultrasonic Metamaterials with Negative Modulus. Nat. Mater 5, 452–456. doi:10.1038/nmat1644

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Lee, S. H., Park, C. M., Seo, Y. M., Wang,Z. G., and Kim, C. K. (2010). Composite Acoustic Medium with Simultaneously Negative Density and Modulus. Phys. Rev. Lett. 104, 054301.doi:10.1103/PhysRevLett.104.054301

Liu, Z., Zhang, X., Mao, Y., Zhu, Y. Y.,Yang, Z., Chan, C. T., et al. (2000). Locally Resonant Sonic Materials. Science289, 1734–1736. doi:10.1126/science.289.5485.1734

Luke, G. P., Hannah, A. S., and Emelianov,S. Y. (2016). Super-Resolution Ultrasound Imaging In Vivo with Transient Laser-Activated Nanodroplets. Nano Lett. 16, 2556–2559.doi:10.1021/acs.nanolett.6b00108

Martínez-Sala, R., Sancho, J., Sánchez, J.V., Gómez, V., Llinares, J., and Meseguer, F. (1995). Sound Attenuation by Sculpture. Nature 378, 241. doi:10.1038/378241a0

Mei, J., Liu, Z., Wen, W., and Sheng, P.(2006). Effective Mass Density of Fluid-Solid Composites. Phys. Rev. Lett. 96,024301. doi:10.1103/PhysRevLett.96.024301

 Melancon, D., Gorissen, B., García-Mora, C.J., Hoberman, C., and Bertoldi, K. (2021). Multistable Inflatable Origami Structures at the Metre Scale. Nature 592, 545–550. doi:10.1038/s41586-021-03407-4 Paulose, J., Chen, B. G.-G., and Vitelli,V. (2015). Topological Modes Bound to Dislocations in Mechanical Metamaterials.Nat. Phys 11, 153–156. doi:10.1038/nphys3185 Shen, C., Xu, J., Fang, N., and Jing, Y.(2014). Anisotropic Complementary Acoustic Metamaterial for Canceling OutAberrating Layers. Phys. Rev. X 4, 041033. doi:10.1103/physrevx.4.041033 Wang, P., Lu, L., and Bertoldi, K. (2015).Topological Phononic Crystals with One-Way Elastic Edge Waves. Phys. Rev. Lett.115, 104302. doi:10.1103/physrevlett.115.104302 Xue, Y., and Zhang, X. (2021).Self-Adaptive Acoustic Cloak Enabled by Soft Mechanical Metamaterials. Extreme Mech.Lett. 46, 101347. doi:10.1016/j.eml.2021.101347 通过阅读原文查看此项综评文章。
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