研究超材料结构中弹性波传播的主动调控具有重要意义. 北京建筑大学郭振坤老师和哈尔滨工程大学李凤明教授在《科学通报》发表评述文章, 综述了超材料结构中弹性波带隙主动调控的研究进展, 简要介绍了近年来发展起来的主动调控弹性波带隙的研究方法, 介绍了热点课题的研究成果, 并提出了一些值得进一步深入研究的科学问题.

周期超材料结构由多个相同的子结构根据一定的规律性和周期性组成, 其广泛应用于实际工程中, 如空间可展开结构、桥梁、铁路轨道和叶片-轮盘结构等. 周期性超材料结构具有一些特殊的力学/声学性能, 例如频率通带和禁带(或带隙)特性等. 当机械振动和声波/弹性波的频率处于通带内时, 其可以在没有任何空间衰减的情况下通过周期结构进行传播. 然而, 如果机械振动和声波/弹性波的频率处于禁带范围内, 其在整个结构中的传播会受到阻隔, 即振动和弹性波在结构的传播过程中将衰减. 一般认为, 存在两种基本的带隙形成机理, 即布拉格散射和局域共振带隙. 前者存在于声子晶体(周期结构)中, 带隙一般出现在波长与晶格常数相同数量级的频率范围内. 因此, 若想获得低频带隙来抑制低频弹性波的传播, 需要设计较大的晶格常数, 这在实际工程结构的设计中往往是不现实的. 与基于布拉格散射机理的声子晶体不同, 基于局域共振机理的超材料结构容易产生低频带隙, 其带隙特性在实际应用中具有重要意义, 例如作为低频声波/弹性波滤波器, 或者用于低频隔振与降噪等. 因此, 科技工作者们在周期超材料结构的低频带隙特性研究和调控方面投入了大量研究精力.

控制振动和弹性波传播的方法主要有两种, 即被动控制和主动控制. 与主动控制不同的是, 被动控制通常不考虑外部控制负载, 这种方法考虑的是静态和被动结构组成, 而且在超材料结构制备完成后, 它们的性能不再发生改变. 这种局限性使得超材料结构缺乏理想频率范围内带隙的可调性, 难以得到更广泛的实际应用, 因为制造出这些周期性基体结构之后并不容易对其进行灵活的改变. 为了克服这一限制, 学者们利用外部激励, 试图通过折断或屈曲等方式改变几何形状来改变材料结构的力学性能. 主动控制的机理是从机械设备等引入外部负载, 它可以减小振幅并吸收与动态结构相关的能量. 由于能够迅速地接收外部信息并及时做出反馈, 主动控制具有较好的灵活性和工程应用性.

本文综述了超材料结构弹性波带隙主动调控的研究方法以及当前进展. 这些方法通常需要多场耦合介质作为超材料结构的组成部分, 这类多场耦合介质包括压电材料、铁电材料、磁力材料、软电活性材料和热力学材料等. 这些超材料结构的关键特征是通过智能材料来实现它们的带隙可调特性, 比如利用带有谐振电路的压电分流器通过改变等效动态刚度来获得可调控带隙, 使用形状记忆合金通过调节温度来改变等效刚度, 利用电磁耦合来控制波的色散, 利用压电电路负阻抗设计调控超材料带隙等. 近期科技工作者将主动反馈控制技术应用于超材料层合梁的带隙调控, 提出了一种利用压电材料主动调控超材料层合梁带隙特性的新思想. 如图1所示, 沿着层合梁的轴向周期布置压电作动器/传感器, 设计一种可以主动调控带隙位置和宽度的超材料层合梁. 每个单胞由基梁单元和粘贴压电材料的梁单元两部分层合梁结构所组成, 通过施加负比例反馈控制策略, 为层合梁周期性地提供正的主动刚度, 从而可以有效地调控该超材料层合梁的振动带隙特性.

图1 周期布置压电作动器/传感器的超材料层合梁

另外, 虽然学者们目前对弹性波带隙主动调控的研究已经取得了一些令人鼓舞的成果, 但仍然存在一些关键问题亟待解决, 比如需要通过充分的实验验证超材料结构理论模型的科学性, 使用机器学习等智能方法高效设计带隙特性可调的超材料结构, 以及设计主动甚至智能的拓扑超材料结构等.

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原文信息

郭振坤, 李凤明. 超材料结构的弹性波带隙主动调控研究进展. 科学通报, 2022, 67: 1249–1263, doi: 10.1360/TB-2021-0483（“阅读原文”直达）

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