时空调制非线性离散声子晶体机理研究

In usual, the parameters of phononic cyrstal/acoustic metamaterial are static and the physical parmeters are relatively fixed. Thus the function of negative index, super resolution and cloaking are limited for application. In this proposal, we will study the mechanism of temporal-spatial modulated discrete phononic crystal by introducing nonlinearity, adjustable unit and local potential into the discrete unit. We will use discrete element method (DEM) and analytical method. In the experiments we will use 3D printing, machining fabrication to build phononic crystal system; we will study the propagations of linear/nonlinear elastic waves in these new materials by employing piezoelectric method and laser vibrometer scanning method. In this way, we will construct novel phonon crystal/metamaterials for nonlinear, gain and switchable materials. This smart material will find applications in many fields including sensing, noise/vibration isolation, energy harvesting, acoustic imaging and etc.

声子晶体/超材料结构参数固定、功能单一，致使其负折射、超分辨或隐身等重要功能频率窄、方向单一、不能实时调整，极大地限制了它们的应用。本课题拟在离散单元中引入非线性、可调单元、局域势等因素，并使其非线性系数、弹性系数在空间域和时间域受到调制，从而构建时空调制声子晶体，我们将在理论上采用离散元和解析方法；在实验方面，采用3D打印和机械加工相结合；检测方法采用压电检测和激光外差干涉仪扫描相结合，研究时空调制声子晶体调制机理，以及线性和非线性弹性波在该材料中的传播特性, 为非线性超材料、可开关超材料和增益超材料提供途径和方法，在传感、隔振降噪、能量采集、声波成像等领域发挥重要作用。

为了解决当前声子晶体结构参数固定、频带窄、损耗大等问题，本课题提出离散钢珠体系中引入非线性、可调单元、局域势等因素，并使其非线性系数、弹性系数在空间域和时间域受到调制，从而构建时空调制声子晶体；在实验方面，采用3D打印和机械加工相结合；检测方法采用压电检测和激光外差干涉仪扫描相结合，研究时空调制声子晶体调制机理，以及线性和非线性弹性波在该材料中的传播特性，为声子晶体/声学超材料设计以及声波控制提供新的方法和思路。.我们研究了一维非线性声子晶体，通过调控外加在声子晶体上的预紧力，可调控声子晶体的拓扑态，从而实现拓扑相变。利用这一效应，把该非线性声子晶体与另一线性声子晶体形成异质结构，可以实现一种新型声学开关：通过调节预紧力即调控非线性声子晶体的拓扑相，可以实现异质结构中界面态从无到有的转变，从而实现了声学开关效应。.本项目制备了具有手性结构单元的空气声子晶体，清晰地观测到声学外尔点，以及连接不同手性外尔点的费米弧，显示了外尔声子晶体中表面态的新颖传输行为。由于受拓扑保护，表面态传播具有单向性。表面态可以绕过缺陷，实现无障碍向前传播，验证了外尔点的拓扑特性。.本项目经过精心设计，采用微加工制作工艺，在硅片上制备了用于弹性波操控的谷拓扑材料。理论和实验表明：弹性波能够以边缘态的形态在该芯片上按照所设计路径低损耗传输。.在拓扑节线半金属中，能带的交叉点在动量空间形成连续的闭合环线。我们预测并设计了具有节线声子晶体结构，结构中的声波具有环状节线色散。拓扑非平庸的拓扑节线声子晶体会在样品表面上诱导出具有鼓膜色散的表面态，实验观测到了鼓膜表面态并测量了其色散。.本项目拓展了声子晶体的研究领域，为声子晶体应用提供了新思路和方法。