西北工业大学航空学院杨智春教授课题组在固体力学顶级期刊JMPS再次发文报道最新研究成果

发布日期:2021年06月21日      点击:    撰稿:曹礼云     审核:张伟伟

近日,西北工业大学航空学院杨智春教授课题组在不同极化的振动能量转化方面取得创新进展,相关研究成果以题为“Elastic bound state in the continuum with perfect mode conversion”的长文发表于固体力学顶级期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》(简称JMPS,是国际固体力学领域的Top 1期刊)。这是继2020年以来,杨智春教授课题组第二次在该期刊上发表理论长文。

连续体中的束缚态(BIC)是近年来在量子力学和光学中兴起的一个热点研究领域[Nature 541(2017): 196-199;Nature 499(2013) : 188-191]。BIC概念的广泛关注是由于这些束缚态模式能够被完全限制在连续谱中,并理论上能够产生无限大的Q值(品质因子)。这种由于BIC而产生超高Q值的机制已经广泛应用于不同的领域,特别是在光学领域,如高能激光,高敏传感器和精密滤波器。

本研究基于固体力学经典Kirchhoff–Love板理论,首次将BIC的概念拓展到了结构动力学,建立了弹性BIC系统的动力学解析模型。基于该模型第一次实现了板类结构中低频面外振动(弯曲波)能量和面内振动(纵波)能量之间的完美转换,并可以任意设计系统的Q值。该新的振动模式完美转换机制丰富了振动能量流的形式,具有广泛的应用前景,例如:1、可以将面内的振动信号或能量完美地转换为面外振动的信号或能量(易于检测或收集),大大简化基于振动信号的无损检测或振动能量采集。2将面外振动完美地转化为面内振动(面内振动不会影响板结构的弯曲变形从而不会产生声辐射噪音)可以实现新型的减振降噪技术。另外,提出的理论模型可以指导实现弹性波系统从未有过的高Q值,促进基于振动的高灵敏度的传感器或滤波技术的发展等。

图1 (a)弹性BIC系统模型,右侧为周期的波导和亚波长(属于超材料特性)柱状谐振体。(b)不同准BIC点的Q值和相应的纵波泄漏率。(c)不同准BIC点的模式转换率。

图1(a)中柱状谐振体支持Fano共振,该Fano共振能够将弯曲波和纵波模式杂化耦合,实现相互转换。当入射模式的辐射衰减率被调制到与被转换模式的相同时,入射模式将被完全捕获从而其能量完美转移到另一模式,发生完美模式转换(即准BIC)。例如,当弯曲波(面外振动)入射时,系统会产生模式转换,将其转化为纵波(面内振动)模式。调节纵波的辐射衰减率,使之等于直接被系统结构反射的弯曲波辐射率,入射的弯曲波能量将被百分之百捕获。由于系统结构只允许来自模式转换的纵波泄漏,因此产生了完美模式转换。该系统可以实现具有不同Q值的完美模式转换,在图1(b)的F点可以看到Q值超过8000,进一步优化参数可以实现接近无穷大Q值。其它的准BIC点(A~H点)离F点越近,由于纵波泄漏率越低,Q值越大。从图1(c)可以看到每一个准BIC点(A~F点),对应的模式转换率均为1,即均为完美模式转换。

图2 (a)实验测试平台。(b)和(c)实验展示了不同Q值(曲线的开口大小来反应)的捕获模式。实验结果(Exp.),理论结果(Ana.)和模拟结果(Sim.)均一致地验证了这些捕获模式的转换率ϛ为1,即发生了完美模式转换。

西北工业大学(第一单位)曹礼云博士为该论文第一作者,西北工业大学杨智春教授和合作单位法国国家科学院让·拉穆尔(Jean Lamour)研究所Badreddine ASSOUAR教授为该论文的共同通讯作者。西北工业大学徐艳龙副教授、合作单位Jean Lamour研究所朱一凡博士、樊世旺博士、同济大学李勇教授共同参与和讨论了该研究工作。研究得到了国家自然科学基金委(No.11972296)、高等学校学科创新引智计划(No. BP0719007)和中央高校基本科研专项资金(No. 310201901A005)的资助。

 

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