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比翱 · 材料声学技术全国路演暨研讨会（上海·北京·青岛·深圳·重庆）
声子材料及结构研究是一门新兴学科，处于声振工程以及凝聚态物理学的十字路口。广义上讲，声子介质是一种通常表现出某种形式的周期性的材料或结构系统，这种周期性存在于组成材料相、内部几何形状甚至边界条件中。因此，类似于电子能带图，其整体动力学特性由频带结构紧凑地描述。随着牛顿和瑞利对周期系统的早期研究，该领域已经发展到涵盖从桁架、肋壳到声子晶体和超材料的工程配置。虽然近年来该领域的应用研究非常丰富，但需要从基本力学的角度，特别是从动力学系统的角度进行研究，以将该领域推向新的方向。例如，已经开发的用于结合阻尼和非线性的技术最近被应用于声子材料和结构中的波传播。同样，最初为表征传统材料和结构而开发的数值与实验方法现在正被用于更好地理解和利用声子系统。本文首先概述了历史发展，然后对该领域的最新进展进行了深入的文献和技术综述，特别考虑了动力学、振动和声学的基本原理。最后，根据该领域的当前发展动态对未来进行展望。
周期性介质是表现出某种形式的空间周期性的材料或结构系统，其可以存在于组成材料相、内部几何形状或边界条件中。周期性材料和结构的研究在振动和声学领域有着悠久的历史，其起源可以追溯到牛顿首次尝试描述声音在空气中的传播和瑞利对连续周期性结构的早期研究。由于原子振动（和电子结构）在确定晶体特性中所发挥的作用，该主题在凝聚态物理学中变得至关重要。“声子”的概念是在晶格振动的背景下出现的。正式定义为弹性介质中振动能量的量子，可以解释为固体中离散的粒子状声音量，它也与经典的类似波动的振动和声学有关，主要是在周期性介质的背景下。随后，即使在大型工程系统的尺寸范围内，人们也习惯将周期性材料或结构称为“声子材料”或“声子结构”。因此，声子物理学与周期性材料和结构的动力学之间存在着微妙的联系，尤其是在过去几十年中。也许最引人注目的是频带图的概念，该图表示沿多个方向的频率（或能量）和波数之间的关系。在物理学中，这张图代表了电子结构理论的主干，被认为是将所有晶体分类为金属、半导体和绝缘体的基础。在力学中，能带图正是描述弹性（或声学）介质中自由波传播性质的频散关系的表示。
仔细观察过去半个世纪对周期系统的研究，我们发现振动和声学研究人员，以及更广泛的力学界的研究人员，已经在其他非力学学科中与周期系统相关的关键理论基础、概念和分析技术上进行了大量工作。可以说，力学中最具激励性和推动力的两个应用可以追溯到20世纪50年代，并延伸到20世纪90年代及以后，是复合材料（它很方便地被建模为周期性材料）以及飞机结构（其自然表现出一定程度的周期性，这源于主要用于加固目的的肋板的存在）。与机械和土木工程相关的其他领域包括多叶片涡轮机、抗冲击泡沫/多孔材料、建筑物的周期性基础以及多层建筑和多跨桥梁等。
从20世纪90年代初开始，随着声子晶体概念的引入，以及大约十年后，随着声学超材料的研究兴起，该领域经历了复兴，声学超材料也被普遍认为是声子材料的示例。声子晶体是一种复合材料或非均匀材料，由在空间中周期性排列的一个、两个或多个材料相（固体和/或液体）组成。这与工程文献中早期研究的周期性复合材料没有太大区别，唯一的区别是通过借用晶体学的概念来更加严格地处理对称性。随着声子晶体的引入，周期性材料和声子物理学之间已经存在的联系得到了实质性的升级。另一方面，声学（或弹性）超材料（通常）也是一种周期性材料，只不过它具有表现出局域共振的附加特征，或者可能具有其他特征，这些特征可以引起“不寻常”的动态行为，例如负折射和负的群速度。超材料也有电磁学的基础，声学和弹性动力学学科一直在推动这一类极具前景的材料的开发。
尽管近年来声子材料的应用研究非常丰富，但需要从基础力学的角度，特别是从动力系统的角度进行研究，以推动该领域向新的方向发展。例如，已经开发的用于处理结构动力学中的阻尼和非线性的技术为解决周期性材料和结构中的波传播问题提供了丰富的资源。同样，最初为表征传统材料和结构而开发的数值和实验方法提供了不可或缺的工具，可用于更好地理解和利用声子系统。
此篇综述文章的目的是引起《振动与声学杂志》和《应用力学评论》研究群体对声子材料主题的关注，并鼓励和激发所有相关学科的研究人员和从业者对该领域的兴趣。为此，本文概述了早期周期性材料和结构研究的历史发展，特别考虑与动力学、振动和声学有关的方面。对声子晶体和声/弹性超材料的出现所取得的进展进行了深入的文献概述。对声子材料理论、数值技术以及阻尼和非线性处理的基本概念进行了详细的技术回顾，以及涵盖该领域的实验研究。同时根据迄今为止取得的进展，对未来进行了简要展望。
在带有谐振短截线的板上进行的传输测量显示了1300–3500 Hz范围内带隙行为的有力证据
如本文所述，周期结构、声子晶体和声/弹性超材料为新的和正在进行的研究提供了有潜景的途径，并且为许多概念和基础研究向完全开发的工业技术的转变提供了巨大的潜力。该领域的研究活动正在持续增长，完全或部分致力于声子材料和结构的专题讨论会、讲习班和会议以及期刊特刊的数量不断增加就证明了这一点。
声子材料和结构的动力学研究有许多方向，预计这些方向将在未来几年挤满研究人员的想象空间。作为过去十多年来发展的新现象和分析技术的成果，未来的工作前景无限。此外，仍然有可能继续发现经典波中与量子波相似的现象，例如声子晶体中的隧穿现象。
展望未来，我们将阻尼和非线性纳入声子系统模型的基本主题作为出发点。更复杂的模型类型，例如具有非线性分量的N网络广义麦克斯韦粘弹性模型，还有待开发。同样重要的是对实验方法的研究，以验证在理解耗散和非线性布洛赫波传播方面的最新进展。虽然已经进行了实验来探讨有限结构中阻尼和非线性的影响，但周期性介质中波动的扩展仍处于起步阶段。
另一个研究分支是弹性波与其他类型波（尤其是电磁波）耦合的研究。人们致力于探索同时表现出声子和光子带隙的晶胞结构，并且一些实验研究已经成功实现了非线性多场波相互作用。然而，用于模拟耦合场及其同时波传播特性的理论框架仍有进一步发展的空间。这一困难主要源于可能与耦合相关的非线性。因此，周期性材料和结构的自洽非线性波传播分析的进一步进展无疑将支持这一主题。随着这一发展，光电子晶体和光学力学的主题将朝着实现可以在声学和光学领域提供大量应用的设备的方向迈出步伐。
可调谐性是预计在未来几年将继续引起人们兴趣的另一个领域，因为它代表了在工程应用中有效使用声子材料和结构的实际先决条件。虽然迄今为止，重点主要集中在主动控制的不同方法和概念的演示上，未来的研究将解决量化频带结构调谐的准确性和速度的需求，以及波动发生所需转换的后续速率。为此，将寻求来自公认的自动控制学科的思想和技术，并将其应用于声子系统。
上述类别的未来研究将为当前和尚未设想的应用提供新的机会。例如，实现声子逻辑电路和能量收集装置的承诺将变得更加现实，进而带来新的机遇。还可以寻求新的应用和主题，例如振动和声音的双重控制、流体-结构相互作用的结合以及使用弹性声子来控制结构材料的抗屈曲性等。
最终，该领域将接近其两个极端前沿：极低频区域和极高频区域的声子控制。虽然声/弹性超材料为亚波长应用提供了一条途径，但将该领域引入超低频领域仍然是一个挑战。如果实现这一点，声子材料和结构将影响全新的应用类别，从旋转机械的振动抑制到抗震等。这里的关键挑战是实现亚波长晶胞，使其仍然能够提供所需的动态性能，同时表现出实用的品质，例如小型、紧凑、轻量和实用。在超高频极限下，面临的挑战是如何将当前纳米级声子晶体的工作充分阐明相干和非相干散射机制之间潜在的相互作用。要实现这一目标，一个关键障碍是计算资源有限，无法充分处理数百纳米长度尺度的原子波运动。这表明，非常需要原子水平上单位单元模型简化技术的进步，并且可能需要来自多尺度建模以及连续体和原子描述的耦合的其他概念。随着这些计算工具以及相应的纳米结构制造和表征技术的出现，宏观和纳米尺度的概念之间将发生进一步的交叉融合，
如果当前声子材料和结构研究的增长趋势继续下去，该领域的工业兴趣近乎爆炸式增长并非不可想象。半个多世纪前，电子领域以及最近的光子学领域都见证了这样的结果。下一个似乎是声子（学）。
原文来源：Appl. Mech. Rev. Jul 2014, 66(4): 040802；Dynamics of Phononic Materials and Structures: Historical Origins, Recent Progress, and Future Outlook；doi.org/10.1115/1.4026911
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