用于宽带聚焦和准直的改良结构的吕内堡透镜

人们对控制和操纵结构波的应用，如基于振动的能量收集、结构健康监测和医疗诊断和治疗等，产生了广泛和持续的兴趣。例如，结构波的聚焦可以是一个提高基于振动的能量收集效率使用压电换能器有效的方法。此外，结构波的强准直性使高性能声学换能器成为超声成像、诊断和治疗的理想设备。随着梯度指数（GRIN）声波超材料的发展，利用结构吕内堡透镜实现了弹性波在薄板中的聚焦和准直。例如，一个简单的GRIN结构吕内堡透镜可以通过使用一组不同半径的孔来实现所需的梯度折射率。虽然这些GRIN吕内堡透镜的频率响应一般是宽带的，但这些器件的性能受到了孔晶格离散性质的限制，这导致了折射率的逐步变化。为了使折射率的变化显得平滑，必须使小孔比波长小得多，但随着被操纵波的频率增加，这很快就变得不切实际。

       众所周知，模量的局域依赖性可以通过改变结构厚度来调整弯曲波在结构中传播的色散。这种方法被称为声黑洞(ABH)，且已被用于振动控制和能量收集。由于折射率不仅取决于材料的性质，而且还取决于结构厚度，因此利用ABH可以得到折射率的平滑变化。这种方法已被广泛研究，以实现有效的阻尼弯曲波。然而，由于其中心的零厚度要求(奇异点)，制造理想的ABH是不可能的。虽然有研究人员提出了一种基于与ABH不同的厚度剖面的结构吕内堡透镜，并通过数值模拟演示了其弯曲波聚焦特性，然而，这种厚度的透镜只能用来聚焦弯曲波的边缘。

       近日，来自美国马里兰大学系统研究所Liuxian Zhao等人在扩展了前人的研究工作基础上，开发了一个通用公式，将一个结构吕内堡透镜的厚度剖面与其焦距联系起来，这样焦点可以被调整到透镜内部、外部或边缘的任何位置。然后用解析、数值和实验的方法研究了这些结构吕内堡透镜的弯曲波聚焦和准直特性，并将用数值和实验的方法证明其在能量收集中的有用性。相关工作发表在《Mechanical Systems and Signal Processing》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.106868