2012年5月期刊俱乐部主题:层次与准周期声子晶体与超材料

上个月Mahmoud发表了一篇关于结构在设计能够控制机械波传播的材料中的作用的博客，我想深入研究一下结构本身的特性。机械波的传播可以通过材料结构引起的散射来控制。例如，当波的波长和方向与介质的结构相关时，波的传播就会受到严重干扰。这被称为布拉格散射，可以简单地通过在材料中嵌入空隙或夹杂物(具有不同物理性质)来实现[1]。正如Mahmoud解释的那样，声子晶体(phononic crystals, pc)利用这种散射来获得带隙[2]，但它们也具有负折射[3]，并已被用于聚焦声音[4]。如果结构包含可能在机械波的频谱范围内共振的元素，则由此产生的散射称为共振(Mie散射就是一个例子)[5]。声学超材料(AMs)利用共振散射来获得有效的负刚度[6-7]，负质量[5,8]，或两者兼有[9]。
在材料结构的许多方面中，周期性、有序或缺乏其中任何一个都是可以预期的动态响应的重要因素。例如，结构也可以决定固体的行为是否更像液体[10]。然而，pc机和AMs的有用操作机制通常限于单一频率或较窄的频率范围。PC和AM原型通常包括单个长度尺度[5]，例如特征之间的特征距离，或单个/几个内部谐振频率[10,11]。低频操作也非常具有挑战性，因为它需要低刚度/高质量或大的特征长度。这些都是明显的缺点。
然而，打破PC或AM的结构周期性可能提供宽带有效性和控制机械波的能力，即使在非常低的频率[12-13]。材料结构缺乏周期性并不一定意味着无序，无序通常会导致宽带类扩散行为[12]或局域波[14]，但可能导致具有高对称性的声子准晶体(pqc)[12]。注意对称性和周期性在这里不是同义词。这些准周期结构通常在周期平均结构(PAS)的傅立叶谱中保持强振幅，这是pqc的近似值，但与PAS不同，它们具有宽带有效性[12]。此外，pqc在接近零的频率下可以表现出布拉格散射[12]。
最后，不同尺度的结构也可以提供宽带效率:分形[12,13]、分层[15]和优化的声子晶体[16]可能会引领结构材料的发展，大大提高其性能。
例如，分形特征已经进入电磁学(参见NOVA:寻找隐藏维度)http://video.google.com/videoplay?docid=-6917200224135375895)，制造具有分形维数的PC或AM需要什么?

[1]朱军，等，“多孔结构超材料在声学深亚波长成像中的应用”。自然物理学报，7,52-55,2011。

[2]张建军，张建军，张建军，等。左71,2022,1993。

[3]张晓霞，刘志强。理论物理。科学通报，2004,31(4)。

[4]杨士林，刘志勇，陈振涛，陈志强，盛鹏。Rev. Lett. 93, 024301, 2004。

[5]吕明辉，冯亮，陈玉峰，“声子晶体与声学超材料”《今日材料》，2009。

[6]刘忠，等。科学通报(2000)289,1734。

[7]方宁等，“负模量超声超材料”。自然材料，5(6)，452-456。

[8]黄辉，孙长青，黄国光，“声学超材料的负有效质量密度”。工程机械学报，47(4)，661 - 667,2009。

[9]李军，陈春涛，“双负性声学超材料”。理论物理。电子工程学报，30(2)，2004。

[10]赖勇，吴勇，盛平，张志强，“混合弹性固体”。自然材料，10(8)，620-624,2011。

[11]:刘志强等，“局部共振声学材料”。科学通报，28(5)，1734-1736,2000。

[12]王志强，“光子和声子准晶体”。期刊。D::。理论物理。中文信息学报，40,229-247,2007。

[13]李建军，《晶体的研究》，中国科学院学报，1995。

[14]胡辉等，“三维弹性网络超声定位”。自然物理，4,945 - 948,2008。

[15]徐玉玲，陈志强，“二维固体/空气分层声子晶体的能带结构”。物理学报，2004,26(3)，357 - 357,2012。

[16]王晓明，王晓明，“超宽声子带隙的面内波和面外波组合”。理论物理。电子工程学报，84,065701,2011。