超材料是由已知材料按特定排列方式组成的人造材料组合，能展现出天然材料所不具备的新奇特性。在众多应用领域中，超材料在隔振、噪声控制、波导以及能量收集技术等方面前景广阔。尽管超材料研究的基石通常在于其周期性设计，但目前研究正拓展至准周期超材料领域，其缺乏平移周期性的特点为该领域带来了新的挑战与机遇。在本研究中，我们使用可重构的乐高积木和激光多普勒测振技术，来展示准周期材料的独特性质，包括局域振动模式和定向波工程特性。在超材料研究中，谐振器被广泛用于构建所谓的“局域共振”超材料。通常，将相同的谐振器阵列附着在弹性结构上。这会产生带隙，即弹性波传播被禁止的频率波段，从而在附着物的共振频率附近降低整体振动水平。许多研究团队都在探索这一思路，期望借此开发出隔振和隔音材料。该领域的经典理论是基于由等间距且调谐至相同频率的谐振器构成的周期性结构发展而来的。近年来，研究人员的兴趣逐渐超越周期性结构，开始探索无序和准周期谐振器阵列的特性。实验装置图1：乐高组件振动测量的实验装置本次实验中，我们将乐高积木用作机械谐振器的简易模型（图1）。每个谐振器由一根支柱（黑色）和一个圆锥体（蓝色）组成。通过在支柱上滑动圆锥体，可以将谐振频率在约200-350Hz的范围内进行调节（如图1所示）。这些谐振器以准周期配置附着在乐高横梁上，旨在改变其波传播和振动特性。实验中使用电动激振器作为样品振动激励，同时采用Polytec公司的扫描式激光多普勒测振仪（SLDV）记录样品平面（无谐振器一侧）的频率响应。实验分析图2：一维乐高平板的实验结果在第一项工作中，我们研究了附着有准周期谐振器阵列的一维弹性横梁[1]。总共42个谐振器被安装在乐高横梁上，其高度按照准周期模式设定。具体而言，第n个谐振器的高度hn由公式hn=h0+Δhsin(2πθn)确定，由平均高度h0加上幅值为Δh、波长为1/θ的正弦调制项构成。θ参数的变化会产生一系列不同的模式；当θ为有理数时，对应周期性模式；当θ为无理数时，则对应准周期模式。通过重新配置样品并进行一系列实验，我们能够获取频率响应随θ的变化情况。实验结果以彩色图的形式总结在图2中，颜色表示沿横梁跨度方向平均的响应，其为θ（x轴）和频率（y轴）的函数。图中，黄色线条标记了与梁的共振相关的响应峰值变化，而蓝色区域则表示导致梁上振动水平较低的带隙。值得注意的是，该图形成了一个类似于霍夫施塔特蝴蝶的频谱图（因此配有蝴蝶图像）。最初的霍夫施塔特蝴蝶指的是20世纪80年代道格拉斯・霍夫施塔特发现的，在强磁场作用下电子的分形频谱，它与量子霍尔效应理论相关。有趣的是，我们的实验通过使用可重构的弹性谐振器，而非具有磁场的电子系统，再现了类似的特征。这种惊人的相似性促使我们的研究成果发表在《应用物理快报》杂志上[1]。由于样品尺寸有限，我们自然只能捕捉到“分形”频谱的部分特征。量子霍尔效应的一个显著标志是“边缘态”的出现，即电流仅在样品边缘传播，而不通过内部。类似地，在我们的弹性实验平台中，这一特征表现为振动模态分布在横梁边缘。图2展示了一个频率约为450Hz的局部模态，并将有限元分析（FEA）数值结果和测振仪测量的试验模态振型进行了对比。图3：频率固定为430Hz时二维乐高板的实验结果受上述发现的启发，我们继续探索附着在平板上的二维乐高正方形晶格的特性[2]。通过对支柱高度进行正弦调制来获得准周期模式。此时，θ是正弦调制后支柱间的扭转角。我们选择通过扭转实现准周期性，这一思路源于扭转双层电子系统，该系统展现出电子超导性等显著特性。在此，我们试图探究调制函数的扭转角（其会导致支柱高度形成不同的莫尔图案）如何改变乐高板内的弹性波传播。我们发现，加入乐高谐振器后，在特定频率下，板内的波传播具有高度方向性，并且扭转角的变化能够显著控制这一特性。具体而言，扭转角会根据频率引发波传播从定向到非定向（或反之）的转变。图3展示了频率为430Hz时的一个例子，其中给出了扭转角为0°、15°、30°和45°时的数值结果，并与实验结果进行了对比。在未扭转的情况下（θ=0），板内的波传播不具有方向性，其波前呈椭圆形。因此，倒易空间的波场，是波数kx、ky（波数通过傅里叶变换得到）的函数，其形状为封闭的椭圆轮廓。随着扭转角的增大和支柱的重新配置，在该固定频率下，波轮廓会打开并转变为“双曲线”轮廓，此时波具有高度的方向性。此外，波的传播方向会随着扭转角扭转。由于波轮廓会根据波传播从非定向到定向的转变，从封闭形状变为开放形状，这种转变被称为拓扑转变。我们发表在《先进科学》杂志上的研究文章中还报道了许多其它示例[2]。重要结论通过乐高积木这一简单实验平台，我们通过试验展示了准周期超材料的卓越特性。这些特性受量子物质概念的启发，当应用于弹性材料时，会产生非传统的波的定位和波导特性。乐高实验平台的简易性使我们能够在桌面实验环境中研究这些复杂现象。展望未来，本研究展示的概念可应用于更复杂的超材料设计中，融入准周期图案，有望开发出具有卓越振动和波传播特性的新型材料。
在科技飞速迭代的当下，振动测量技术已成为解锁诸多前沿领域创新的关键钥匙。Polytec作为激光测振技术的领军者，其产品凭借高精度、非接触、高适应性的核心优势，不仅在超材料等科研领域实现深度赋能，更在医疗微机电、电动汽车、触觉交互等多个产业场景中落地生根，为技术突破与产品升级提供了坚实支撑。丨电动汽车领域：护航绿色出行技术升级面对电动汽车产业的快速发展，Polytec激光测振仪在核心部件研发与质量控制中发挥着关键作用。在电机模态测试中，设备为电动汽车电机定子的有限元分析（FE）相关性验证提供了高精度数据，与博世集团的驱动轴系统方案形成协同。测试视频：电动汽车电机定子的有限元分析（FE）相关性验证丨燃料电池汽车的储氢罐针对燃料电池汽车的700巴高压储氢罐，其通过嵌入压电传感器网络的缺陷监测方案，实现了储氢罐特性的准实时监测。凭借可视化波场与仿真结果相关性分析的优势，保障了碳纤维增强聚合物（CFRP）外壳的使用安全，已在佛吉亚巴旺工厂的绿色移动出行研发中心落地应用。燃料电池汽车的储氢罐缺陷检测此外，设备还广泛应用于电动汽车电池的振动台耐久性测试，为电池可靠性提供保障。振动台耐久性测试丨触觉交互技术：重构人机交互新体验基于凯文・凯利在《必然》中提出的“所有表面皆可成为交互屏幕”的技术趋势，Polytec激光测振仪为触觉显示器的研发提供了核心技术支撑。其利用超声振动原理，通过压电激励器阵列在光滑表面生成精准振型，实现差异化触感反馈，可模拟虚拟开关、纹理质感等多种交互形态。在Hap2U技术上的应用法国初创企业Hap2U（戴姆勒集团）已购入PSV3DXtraHV设备用于相关产品研发，一家大型零部件制造商也采用该技术进行触觉显示器的质量控制，有望推动车载等场景的触觉交互体验革新。丨其他科研场景：助力跨学科创新突破在非线性动力学研究中，Polytec激光测振仪为斯图加特大学的涡轮叶片、悬臂梁等非线性结构研究提供了非接触同步测量支持，VibroScan系统满足了精密结构的测量需求。非线性模态分析在地震模拟领域，苏黎世联邦理工学院借助RoboVib系统开展实验室尺度的波传播特性研究，为石油勘探等领域的建模提供了数据支撑。此外，设备在虹膜项目、轮胎测量等场景中也展现出优异性能，进一步拓宽了应用边界。总结与展望从超材料的微观波调控研究到医疗微机电的精密器件研发，Polytec激光测振仪以技术为刃，不断突破振动测量的边界。未来，Polytec将持续深耕核心技术，聚焦更多前沿领域的测量需求，为全球科研创新与产业升级提供更加强劲的动力，助力更多突破性技术从实验室走向实际应用。
在科技飞速迭代的当下，振动测量技术已成为解锁诸多前沿领域创新的关键钥匙。Polytec作为激光测振技术的领军者，其产品凭借高精度、非接触、高适应性的核心优势，不仅在超材料等科研领域实现深度赋能，更在医疗微机电、电动汽车、触觉交互等多个产业场景中落地生根，为技术突破与产品升级提供了坚实支撑。丨科研前沿：超材料领域的振动测量革新超材料作为一类具有“非常规”波调控特性的创新材料，其核心价值在于能够灵活操控声波、振动的传播路径，实现带隙调控、波弯曲与聚焦等特殊功能，在声学、振动控制等领域拥有广阔应用前景。德国某大学的三维声子晶体模型基于非欧几里得超材料的声学双折射现象这类材料多采用晶格结构或质量-弹簧系统阵列，常通过增材制造技术制备，对振动测量的精准度与非接触性提出了极高要求。Polytec激光测振仪成为超材料研究的理想工具，其优势尤为突出：一方面，非接触测量方式避免了传统接触式测量对超材料微观结构的破坏，确保测量过程中材料特性不受干扰；另一方面，设备能够精准捕捉超材料在振动激励下的细微响应，清晰呈现波传播特性与模态变化，为声波与振动传播带隙的设计、波调控机制的验证提供了量化数据支撑。Polytec激光测振仪已获得多个超材料研究团队的青睐，成为该领域科研创新的重要助力。机械超材料研究丨多领域拓展：全场景振动测量解决方案除超材料领域外，Polytec激光测振仪凭借强大的适应性与性能优势，在多个关键领域实现了突破性应用，构建起覆盖科研与产业的全场景解决方案。医疗微机电系统：精准赋能微小器件研发在医疗微机电系统（MEMS）领域，Polytec产品针对压电式微机械超声换能器（PMUT）、电容式微机械超声换能器（CMUT）等核心器件，提供了1-50MHz及更高带宽的精准振动测量支持。无论是指纹传感、手势识别等消费级应用，还是手持式医疗超声设备等专业医疗场景，其测量数据都为器件性能优化提供了关键依据。针对微流控技术，Polytec与MPIStuttgart合作，完成了5MHz和36MHz频段下的液体混合场景测试，为芯片实验室的功能升级奠定基础。总结与展望从超材料的微观波调控研究到医疗微机电的精密器件研发，Polytec激光测振仪以技术为刃，不断突破振动测量的边界。未来，Polytec将持续深耕核心技术，聚焦更多前沿领域的测量需求，为全球科研创新与产业升级提供更加强劲的动力，助力更多突破性技术从实验室走向实际应用。
微机电（MEMS）换能器可用于从环境振动中获取能量。这些静电装置通过梳状结构中的可变电容将质量块振动中所含的机械能转换成电能。本文中，我们使用显微式激光测振仪，以纳米分辨率测量共振器的面内振动特性。通过对换能器施加从小到大的激励，产生并测量出换能器的线性和非线性动力学响应。最重要的是，还可确定不同的激励和负载阻抗对能量采集的影响。·为什么需要能量采集？进行能量采集的微型化系统是自维持换能器和执行器系统的关键部件。他们从环境能量源（如温度梯度，机械振动，或气流）中产生电流。本文讨论的MEMS器件利用环境振动来驱动弹簧悬浮质量块的运动，从而改变静电梳状微结构的电容来产生电流。环境振动覆盖的振幅和频率范围很广。如图1所示，通常情况下，和活体相比，机械装置的频率较高振幅较低。图1机械装置和活体运动的典型频率和振幅范围·实验布局通过对设计成交错梳状结构的可变电容进行充电，实现将机械能转换成电能。在图2中，左侧为MEMS换能器的功能布局，右侧为实际设备的放大图像。换能器包括一个由四个弹簧悬浮起来的质量块，这四个弹簧长1毫米，宽度在1.4~7.4μm之间不等。根据理论分析，可计算出当质量块为0.1mg时，其共振频率在96~1160Hz之间。质量块相对的梳状齿就像一个可移动的电极，与外部的梳状电极一起固定在基底上，以此获得两个可变电容。换能器采用绝缘硅(SOI)工艺，平面内的总体尺寸是3x6mm2。图2机电换能器和梳状结构的功能性布局·面内振动测量为了更深入地了解能量换能器的机械动力学，很有必要获知换能器的频率特性。为此，我们采用压电致动器作为激励源，使用频闪技术和光学图像处理技术，以纳米分辨率测量质量块的面内运动z(t)、【幅相】和激励振动y(t)。本次试验中，测量系统是MSA-500显微式激光测振仪，其包含同步频闪LED光源和先进的摄像机，通过对周期运动中不同相位的图像进行“冻结”，从而提取面内运动数据。此外，激励由单点式激光测振仪来控制，包括测量光束和参考光束。实验装置示意图如图3所示。图3激励装置的安装示意图及质量块的运动测试为获取这些装置的动态特性，记录了当输入振动为2.4nm时，质量块在位移峰峰值Zpp时的共振。测量结果如图4所示。测量数据显示为振幅和相位的洛伦兹特性。面内运动z(t)的相位相对于激励y(t)，在共振时有个90°的变化，这个在图4中也可以看到。在大气中工作时，得到的q因子为190，计算出的共振频率为1160Hz，要低于实际测量值1522Hz，而且器件的共振频率还将随着激励的减弱而进一步减小。如图5所示，三次递增的激励振幅分别为8、19和37nm，在较高的激励振幅下，该器件表现出非线性特性，且在更高的频率处出现共振峰，这种效应被称为弹簧硬化。图4换能器的幅值、相位VS频率曲线图5高激励幅值下Zpp的非线性曲线·什么决定了能量输出？实验结果进一步证实了质量块的运动与可变电容及能量收集之间的相关性。在图6中，横坐标为频率f，激励幅值为0.2μm、电压70V，得出的是不同负载阻抗Rload下的能量收集的输出功率P。由图可以看出，负载阻抗对于能量收集装置的输出功率是一个重要参数，在具体应用中可以进行优化改进。图6不同负载阻抗下，频率和能量采集功率曲线·鸣谢Author·ContactDipl-Ing.UlrichBartschMicrosystemMaterialsLaboratoryDepartmentofMicrosystemsEngineering(IMTEK),UniversityofFreiburgD-79110Freiburg,Germanybartsch@imtek.de
声表面波是一种沿物体表面传输的弹性波，振幅通常随着底物的深度衰减。典型应用领域：▪电子行业：SAW过滤器，谐振器▪传感器：无线传感器设备用于温度、压力、应力▪流体力学：液体的操纵©Wikipedia:SchematicpictureofatypicalSAWdevicedesign.SAW滤波器SAW滤波器–UHFMeasurement基于超高频激光测振仪用于声表面波设备测试：262MHz行波SAWFilter–UHFMeasurement基于超高频激光测振仪用于声表面波设备测试：263MHz驻波※更多案例信息，请与我们联系
▪基于MEMS技术的惯性传感器是加速计和陀螺仪的标准▪消费电子中的应用：手机、平板、电视遥控器、玩具……▪汽车行业的应用更多▪趋势:组合,低成本,小尺寸,高性能▪性能的进一步提升将在未来打开高端应用▪惯性传感器元件的三维运动需要高分辨率的三维测量系统MEMS惯导器件:3D振动数据分析※更多案例信息，请与我们联系
