研究人员描述了具有扭曲特征的手性机械超材料的创新设计，该材料具有相对高的质量因子，可诱导范诺共振。通过有限元分析，研究人员描绘了间规对称结构提供的声子色散曲线和传输响应，并将其与均匀介质、等规非手性和等规手性基元进行了比较。研究人员证明了基于两个八角形板的手性间规基元在低频表现出双范诺共振。最后，研究人员探讨了在研究频率附近应用间规结构超材料作为具有显著灵敏度和质量因子的温度传感器的前景。适当考虑了影响声波在固体和液体中衰减的耗散效应，这些耗散效应可能导致q因子的降低。
本文要点
1.提出了一种新型间规机械超材料
2.具有高q因子的双范诺共振
3.可做高灵敏度水温传感器
研究背景
被称为“超材料”的新一代人造材料使机械行为具有超越固有特性的新特性。机械超材料以其静态状态下的各种奇异参数而闻名，包括负泊松比，柔韧性，形状记忆和扭转转换，这导致了今天广泛应用的“动态范式”。此外，具有扭曲的超材料可以表现出一种称为声活动的独特特征。这将横波的线偏振转换为圆偏振。
局部共振是由离散共振和连续状态之间的耦合引起的，这使得在谐振频率处出现峰值，随后或之前出现反谐振的下降。自发现以来，范诺共振由于其不对称性质引起了科学家的兴趣。但具有亚波长尺寸和低频高质量因子的多波段系统仍然是多波段和多功能器件发展的主要挑战。用于低频的双范诺谐振器最近被开发出来，采用由两种类型的单元组成的单元阵列，其中包含多个腔，每种腔都有自己特定的一组特性。这些灵感来自声学超材料，其尺寸小于波长，从而具有特殊的弹性波操纵能力。
在本研究中，研究人员利用扭曲超材料的设计，在低频产生双范诺共振，灵感来自超材料的手性。
研究内容
图1 横梁的原理图。(a)均质培养基。(b)非手性等规立构的基元(α=0)。(c)手性等规立构的基元(α≠0)。(d)手性间同立构基元(α≠0)。(e)基元的几何参数,这两个八角形的板块分离ℎ= 30 mm的距离通过棒直径r= 1.2毫米倾斜的角度α等于arctn(h/L)的一侧八边形等于L= 3.9mm和半径R1= 3.3mm和R2 = 5.08mm和ω= 1.4mm。横梁的宽度为a=14.4 mm，长度为4h 。
间规基元(图2(d))表现出局域模式和纵向模式之间的联系，导致局部共振。尽管前两种横向模式由于间规基元内存在明显的对称平面而不经历简并提升，这意味着间规基元与手性等规基元相比，间规基元中没有声学活动。另一方面，扭转局域模与纵向模之间存在干扰，导致平面模与纵向模耦合产生由对称和反对称两个共振组成的局域共振，导致在1khz附近存在范诺共振，如图在该频率附近的模偏振的红色所示。
图2 四束光在第一布里渊区(Гx)沿x轴声子色散曲线。(a)均质基元。(b)非手性等规基元。(c)手性等规基元。(d)手性间规基元。(e)在f11，f12，f21和f22点上的共向手性基元束的特征模式的截图。
图3(a)描绘了由均匀介质、等规非手性和手性基元以及间规手性基元组成的光束的传输曲线，分别用黑色、蓝色和红色曲线表示。前三个光束没有范诺共振，而第四个光束包含两个范诺共振。这表明该手性结构在低频表现出双范诺共振。研究人员评估了质量因子，它对应于每个峰的半最大值处的共振频率与全宽度频率的比值。共振频率为1.191 kHz的第一个峰的q因子为350，共振频率为3.127 kHz的第二个峰的q因子为11010。图3(b)显示了共振频率和反共振频率下的截图，这是两种范诺共振的峰值和低谷，它们只存在于共负性手性基元中。从色散曲线可以看出，第一个共振代表一阶扭转，而第二个共振代表高阶扭转。
图3 (a)黑色均质介质基元的透射光谱。蓝色的非手性等规基元。蓝色的手性等规基元。红色的手性间规基元。(b)频率为970 Hz的p11点、频率为1192 Hz的p12点、频率为3082 Hz的p21点、频率为3127 Hz的p22点的反共振峰和共振峰的共向性手性波束截图。
在第一步中，研究人员利用最近使用声子晶体的研究来评估共向束传感器的能力，其中将水密度和声速改变1%，并确定每种变化的特征参数。纵向传输响应如图4(b)所示。
图4手性间规光束作为液体传感器。(a)传感器设计。(b)两个峰值的纵向透射率随- 1%密度和声速变化的函数。
联合传感器对声速的变化不敏感，但对密度的变化敏感。研究人员总结了表2中两个峰值的密度变化计算参数。
发现表明，在低频率下，手性合阵基元更适合于检测密度波动，而对声速不太敏感。
在第二步中，研究人员使用间规性手性波束来检测水温的变化，其中密度和声速取决于水温，如表3所示。研究人员计算了纵向传输随水温变化的函数，如图5所示。两个峰的频率、质量因子、灵敏度和FoM如表4所示。
图5 纵向传输随水温变化的演化。(a)第一个峰。(b)第二个峰。
研究结果表明使用间规手性光束作为温度传感器是可行的。然而，与工作频率在数百GHz范围内的声子传感器相比，第一个峰值的灵敏度低于第二个峰值。此外，由于几何尺寸，这两个峰存在于低频。
一般来说，由于水的黏性和固体材料的分散性所引起的吸收现象会显著影响透射光谱中所观察到的共振峰的q因子。
图6描绘了液体粘度对两峰透射谱的影响。当仅考虑体粘度时，峰1和峰2传输分别下降2和3 dB。第一个峰的质量因子从840降低到730，第二个峰的质量因子从17 × 103降低到15 × 103，导致传播减少。即使考虑剪切粘度，图6所示的传动响应也保持不变，说明剪切粘度对传动行为没有影响。这一观察结果可归因于使用纵波来激发超材料束。因此，体粘度对声波在水中的压缩运动的衰减起主导作用，导致观测到的两个峰的质量因子降低。剪切粘度的低贡献可以进一步解释为它对声波剪切运动的主要影响，而声波剪切运动主要不受纵波的激发。因此，体粘度仍然是影响该体系声波衰减的关键因素。
图6 传输曲线随水粘度和固体耗散的变化。黑色、红点、蓝色、紫色和粉色分别对应无损耗(η= 0，μB= 0，μ= 0)、只考虑液体粘度(η= 0，μB，μ= 0)、(η= 0，μB，μB)和同时考虑液体粘度和固体耗散(η= 0.01，μB，μ)和(η= 0.03，μB，μ)的传输曲线。
总结与展望
总而言之，研究人员用有限元法对声子色散图和透射图进行了计算。这样做是为了证明双范诺共振存在于扭曲的手性超材料中。这种特性已经与其他具有均匀介质、等规非手性基元和等规手性基元的光束进行了比较。局域扭转模和纵向模的干涉尤其会引起低频局部共振，也称为范诺共振。此外，研究人员证明了基于两个八角形板的手性间规基元的光束在低频处表现出双范诺共振，一个在1 kHz，另一个在3 kHz。随后，双范诺共振的存在被用作表征水密度和声速等液体特性的平台。此外，耗散效应影响声波在固体和液体中的衰减，导致质量因子下降。然而，这些峰值一直持续到材料的各向同性损失达到0.03，这表明与材料的耗散相比，水粘度对传感器性能的影响最小。最后，研究表明，具有扭转的间规光束超材料可以用作可行的温度传感器，在建议的尺寸和使用较少耗散材料的目标频率范围内表现出相当高的灵敏度和质量因子。
文献详情
Brahim Lemkalli ∗, Muamer Kadic , Youssef El Badri, Sébastien Guenneau , Abdellah Mir , Younes Achaoui
Wave Motion 127 (2024) 103302
https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2024.103302
