Seismiskt metamaterial

Ett seismiskt metamaterial är ett metamaterial som är utformat för att motverka de negativa effekterna av seismiska vågor på konstgjorda strukturer, som finns på eller nära jordens yta. Nuvarande konstruktioner av seismiska metamaterial använder konfigurationer av borrhål, träd eller föreslagna underjordiska resonatorer för att fungera som ett material i stor skala. Experiment har observerat både reflektioner och bandgapsdämpning från artificiellt inducerade seismiska vågor. Detta är de första experimenten för att verifiera att seismiska metamaterial kan mätas för frekvenser under 100 Hz, där skador från Rayleigh-vågor är mest skadliga för konstgjorda strukturer.

Mekaniken för seismiska vågor

Mer än en miljon jordbävningar registreras varje år av ett världsomspännande system av jordbävningsdetekteringsstationer. Utbredningshastigheten för de seismiska vågorna beror på densiteten och elasticiteten hos jordmaterialen . Med andra ord varierar hastigheten för de seismiska vågorna när de färdas genom olika material i jorden . De två huvudkomponenterna i en seismisk händelse är kroppsvågor och ytvågor . Båda dessa har olika lägen för vågutbredning.

Mot seismisk cloaking

Beräkningar visade att seismiska vågor som färdades mot en byggnad kunde riktas runt byggnaden och lämna byggnaden oskadd genom att använda seismiska metamaterial . Jordbävningsvågornas mycket långa våglängder skulle förkortas när de interagerar med metamaterialen ; vågorna skulle passera runt byggnaden för att komma i fas när jordbävningsvågen fortsatte, som om byggnaden inte fanns där. De matematiska modellerna producerar det vanliga mönstret som tillhandahålls av Metamaterial cloaking . Denna metod förstods först med elektromagnetiska cloaking-metamaterial - den elektromagnetiska energin riktas i själva verket runt ett objekt eller ett hål, och skydd av byggnader från seismiska vågor använder samma princip.

Jättepolymertillverkade splitringresonatorer i kombination med andra metamaterial är designade för att kopplas vid den seismiska våglängden . Koncentriska lager av detta material skulle staplas, varje lager separerade av ett elastiskt medium. Designen som fungerade är tio lager av sex olika material, som enkelt kan användas i bygggrunder. Från och med 2009 är projektet fortfarande på designstadiet.

Elektromagnetiska cloaking-principer för seismiska metamaterial

För seismiska metamaterial för att skydda ytstrukturer inkluderar förslaget en skiktad struktur av metamaterial, åtskilda av elastiska plattor i en cylindrisk konfiguration. En tidigare simulering visade att det är möjligt att skapa döljande från elektromagnetisk strålning med koncentriska, alternerande lager av elektromagnetiska metamaterial. Den studien står i kontrast till döljande av inneslutningar i en delad ringresonator designad som ett anisotropt metamaterial.

Konfigurationen kan ses som alternerande lager av " homogent isotropiskt dielektriskt material" A. med "homogent isotropiskt dielektriskt material" B. Varje dielektriskt material är mycket tunnare än den utstrålade våglängden. Som helhet är en sådan struktur ett anisotropt medium. De skiktade dielektriska materialen omger en "oändligt ledande cylinder". De skiktade dielektriska materialen strålar utåt, på ett koncentriskt sätt, och cylindern är innesluten i det första lagret. De andra lagren alternerar och omger det föregående lagret hela vägen till det första lagret. Elektromagnetisk vågspridning beräknades och simulerades för den skiktade (metamaterial) strukturen och det anistropiska metamaterialet för delad ringresonator, för att visa effektiviteten av det skiktade metamaterialet.

Akustiska cloaking-principer för seismiska metamaterial

Teorin och den slutliga utvecklingen för det seismiska metamaterialet är baserad på koordinattransformationer som uppnås när ett litet cylindriskt föremål döljs med elektromagnetiska vågor . Detta följdes av en analys av akustisk cloaking, och huruvida koordinattransformationer kunde tillämpas på artificiellt tillverkade akustiska material .

Att tillämpa begreppen som används för att förstå elektromagnetiska material på materialegenskaper i andra system visar att de är nära analoga. Vågvektor , vågimpedans och kraftflödesriktning är universella. Genom att förstå hur permittivitet och permeabilitet styr dessa komponenter av vågutbredning , kan tillämpliga analogier användas för andra materialinteraktioner.

är det inte möjligt att tillämpa koordinattransformation på konstruerade artificiella elastiska medier . Det finns dock åtminstone ett specialfall där det finns en direkt motsvarighet mellan elektromagnetik och elastodynamik . Dessutom verkar det här fallet praktiskt användbart. I två dimensioner isotropa akustiska medier och isotropa elektromagnetiska medier exakt likvärdiga. Under dessa förhållanden fungerar den isotropiska egenskapen även i anisotropa medier.

Det har visats matematiskt att 2D Maxwell-ekvationerna med normal incidens gäller för 2D akustiska ekvationer när de elektromagnetiska parametrarna ersätts med följande akustiska parametrar: tryck , vektorvätskehastighet , vätskemassadensitet och vätskebulkmodulen . De kompressionsvåglösningar som används i den elektromagnetiska manteln överförs till materialvätskelösningar där vätskerörelsen är parallell med vågvektorn. Beräkningarna visar sedan att koordinattransformationer kan appliceras på akustiska medier när de är begränsade till normal infalls i två dimensioner.

Därefter hänvisas till det elektromagnetiska mantelskalet som en exakt ekvivalens för en simulerad demonstration av det akustiska cloakingskalet. Bulkmodul och massdensitet bestämmer kappans rumsliga dimensioner, som kan böja alla infallande vågor runt skalets mitt. I en simulering med perfekta förhållanden, eftersom det är lättare att demonstrera de involverade principerna, finns det noll spridning i någon riktning.

Den seismiska kappan

Det kan dock visas genom beräkningar och visuell simulering att vågorna i själva verket är spridda runt byggnadens plats. Frekvensområdet för denna funktion har inte visat sig ha någon begränsning vad gäller den utstrålade frekvensen . Själva kappan visar ingen spridning framåt eller bakåt , därför blir den seismiska kappan ett effektivt medium.

Seismiska metamaterialexperiment

2012 höll forskare ett experimentellt fälttest i Frankrike, med syftet att lyfta fram analogi med fononisk kristall.

Se även

Materialegenskaper