工程师设计超表面以帮助控制表面波传播

、爆炸和其他人类活动产生的表面波可以从震中传播出去，并在传播过程中造成严重破坏。控制这种波浪可以防止破坏和破坏。在小得多的尺度上，表面波过滤和操纵可以在微型电子设备中产生理想的特性。

现在，宾夕法尼亚州立大学工程学院的研究人员已经使用一种称为拓扑优化方法(TOM)的战略设计方法来设计具有可调属性(称为超表面)的制造图案板，这些板材可以控制表面波。在工程科学与力学教授ParisaShokouhi的带领下，该团队在JASAExpressLetters上发表了他们的研究结果。

“我们的多学科团队设计了一个由共振或振动结构组成的超表面屏障，以阻止板波传播到特定区域，”Shokouhi说。

表面波的射程很远，可以在不损失太多能量的情况下传播很远，但超表面势垒的共振结构可以打断它们。

Shokouhi说：“导波控制的应用范围从表面声波设备(用于电子和无损评估和结构健康监测，例如检查管道)到屏障。”

该模拟演示了由形状像大象的拓扑优化谐振器组成的局部谐振超表面如何阻止表面波。图片来源：DanielGuzman/宾夕法尼亚州立大学

该屏障中的共振结构被调谐到特定频率，与在铝板上传播的表面波的预定目标频率相匹配。根据Shokouhi的说法，研究人员使用TOM将他们的设计方法表述为拓扑优化问题。旨在围绕特定频率生成带隙(没有传播的区域)，拓扑优化方法自动设计形状最佳的谐振器以具有特定的谐振和反谐振特性。这导致了Shokouhi所称的局部共振弹性动力学超表面。

“在这篇论文中，我们证明了该方法可以为能够抑制板波(称为兰姆波)的超表面设计谐振器，但这种方法可以扩展到设计可以控制其他类型的导波而不管频率范围如何的共振超表面，”Shokouhi说，并指出这是第一次以这种方式应用TOM——最初设计于1980年代以解决结构设计问题。“这种系统的设计策略可以进一步推广，为声学等其他领域的波浪控制提供了一种潜在的方法。”