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在微机电谐振器研究中，理解耦合非线性微机电谐振器间的能量转移机制极具挑战。研究人员构建超低耦合率（9.6Hz）的系统，观察到能量转移的周期性瞬态拍频现象。该成果为传感、能量收集等领域开辟了新路径。
在微观的世界里，有一群 “小精灵”—— 微机电谐振器，它们虽然个头微小，却蕴含着巨大的能量奥秘。这些谐振器就像一个个小小的 “能量宝库”，它们之间的能量传递和转换机制一直是科研人员们想要解开的谜题。以往，理解耦合非线性微机电谐振器间的能量转移机制面临诸多挑战，比如在高耦合率下，能量转移难以直接观测，而低耦合率时，系统又对扰动过于敏感，并且在研究中考虑非线性的调制作用时存在明显的空白。为了攻克这些难题，来自西北工业大学等机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域带来了新的曙光。
研究人员构建了一个机械耦合谐振器系统，其具有超低的耦合率 9.6Hz，这一关键设计使得他们能够直接观察到谐振器之间的能量交换。通过一系列实验和分析，他们发现非线性在放大能量转移率方面起着至关重要的作用，并且瞬态振幅比能够定量地捕捉到传统测量方法无法获取的能量转移和定位现象。这一研究成果意义重大，为传感、能量收集和信号处理等领域提供了新的思路和方法。
研究人员采用了以下几个主要关键技术方法：一是构建特定结构的耦合微机电谐振器系统，由两个双端音叉（DETF）谐振器通过机械圆盘耦合器连接而成；二是利用电容驱动和传感技术，通过电极实现对谐振器的驱动和信号检测；三是运用闭环频率跟踪技术，借助锁相环（PLL）模块实时跟踪谐振器的瞬态衰减过程。
研究结果
- 耦合谐振器的设计与表征：构建的耦合微机电谐振器系统由两个 DETF 谐振器通过机械圆盘耦合器连接，其耦合率为 9.6Hz，品质因数 Q 约为 42000，系统处于强耦合 regime。通过实验测量得到两个谐振器的固有频率，观察到模式定位现象12。
- 非线性频率响应分析：随着驱动水平上升，非线性响应明显，表现为刚度硬化效应和鞍结分岔（Saddle - Node bifurcations）。在对称和不对称情况下，非线性对频率响应的影响不同，传统频域分析在观察非线性操作下的能量转移和定位时存在局限性34。
- 瞬态响应的非线性表征：通过测量两个谐振器的瞬态信号振幅，观察到明显的拍频现象。非线性初始状态下，谐振器频率会因 A - f 效应而变化。通过提取瞬态信号的包络，得到振幅衰减曲线，发现不对称耦合时 Res 2 的衰减轨迹不符合拟合方程56。
- 杜芬（Duffing）非线性下的能量转移：改变耦合谐振器的初始条件，观察到能量转移现象。非线性初始状态下，Res 2 的能量转移率最大值远大于线性情况，且振幅振荡更明显，表明能量交换增强。此外，还观察到 1:1 内部共振和频率锁定现象78。
- 耦合非线性谐振器中的能量定位：通过测量时域瞬态振幅比，揭示了能量定位现象。非线性初始状态下，不对称性会放大振荡频率和能量转移。与传统扫频响应方法相比，该方法能更好地揭示能量定位910。
研究结论和讨论
研究人员通过对耦合非线性谐振器的研究，成功观察到能量转移过程中的拍频现象，揭示了非线性和结构不对称对能量转移、定位及阻尼的影响。利用振幅比这一参数，深入理解了耦合非线性系统的内在特性。该研究成果为进一步研究两能级系统和开发高精度传感器提供了重要依据，也为相关领域的发展开辟了新的方向。同时，研究方法具有广泛的应用前景，有望拓展到其他微纳系统中，为研究非线性频率调制等现象提供新的手段。未来，还可进一步探索不同耦合方式和非线性条件下的能量转移机制，推动相关领域的持续发展。
