[論文レビュー] Experimental evidence of auxetic features in seismic metamaterials: Ellipticity of seismic Rayleigh waves for subsurface architectured ground with holes

Stéphane Brûlé, Stéfan Enoch+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2018

Acoustic Wave Phenomena Research参考文献 27被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、土壌内の亀裂状の周期的配列がレイリー波の楕円偏光を変化させ、補助的性質に類似した挙動を誘発することを実験的に示している。波モード変換および有効媒質効果に起因し、粒子の運動軌跡が局所的に変化する。主な発見は、穴のメッシュが粒子の運動軌跡を変化させることで、有効ポisson比の変化と解釈でき、工学的土壌構造における地震波制御の新たなメカニズムを提供する。

ABSTRACT

Structured soils with regular meshes of metric size holes implemented in first ten meters of the ground have been theoretically and experimentally tested under seismic disturbance this last decade. Structured soils with rigid inclusions embedded in a substratum have been also recently developed. The influence of these inclusions in the ground can be characterized in different ways: redistribution of energy within the network with focusing effects for seismic metamaterials, wave reflection, frequency filtering, reduction of the amplitude of seismic signal energy, etc. Here we first provide some time-domain analysis of the flat lens effect in conjunction with some form of external cloaking of Rayleigh waves and then we experimentally show the effect of a finite mesh of cylindrical holes on the ellipticity of the surface Rayleigh waves at the level of the Earth's surface. Orbital diagrams in time domain are drawn for the surface particle's velocity in vertical (x,z) and horizontal (x,y) planes. These results enable us to observe that the mesh of holes locally creates a tilt of the axes of the ellipse and changes the direction of particle movement. Interestingly, changes of Rayleigh waves ellipticity can be interpreted as changes of an effective Poisson ratio. However, the proximity of the source is also important to explain the shape of the ellipses. We analyze these observations in terms of wave mode conversions inside the mesh and we propose to broaden the discussion on the complexity of seismic wave phenomena in structured soils such as soils foundations and on the coupling effects specific to the soil-structure interaction.

研究の動機と目的

• 周期的な地下の円筒穴アレイが表面レイリー波の偏光および楕円偏光に与える影響を調査すること。
• 剛性インクルージョンを有するアーキテクチャード地盤における有効媒質行動の理論的予測を実験的に検証すること。
• 波の楕円偏光の変化とポisson比などの有効材料特性との関係を明らかにすること。
• 震源の近接性および波モード変換が粒子運動軌跡の形状に与える役割を分析すること。
• このような構造化土壌が、波の操作およびエネルギー再分配が可能な地震メタマテリアルとしての可能性を評価すること。

提案手法

• 垂直方向（x,z）および水平方向（x,y）の表面粒子速度成分の時間領域解析により、軌道運動を再構築する。
• 上部10メートルに埋め込まれた有限な円筒穴のメッシュを有する土壌層のスケールモデルを用いた実験設定。
• レイリー波粒子の軌道（楕円）の測定および可視化により、楕円偏光および向きの変化を定量的に評価する。
• 観察された粒子運動パターンの変化を説明するために、波モード変換解析を用いる。
• 実験的楕円偏光データを、メタマテリアルの有効媒質理論による理論的予測と比較する。
• 有効ポisson比の概念を用いて、波の偏光の変化を解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周期的な地下の円筒穴アレイは、レイリー波粒子運動の楕円偏光および向きにどのように影響を与えるか？
• RQ2 レイリー波の楕円偏光の変化は、どの程度有効ポisson比の変化と解釈できるか？
• RQ3 震源の近接性は、観察された楕円状粒子運動軌跡の形状にどのような影響を及えるか？
• RQ4 穴のメッシュ内での波モード変換は、波の偏光に観察された変化にどのように寄与しているか？
• RQ5 周期的な穴アレイを有する構造化土壌は、波の操作が可能な地震メタマテリアルとして機能できるか？

主な発見

• 円筒穴のメッシュが局所的に楕円粒子運動の軸を変化させ、レイリー波の軌道が顕著に傾いている。
• 波の楕円偏光の変化が実験的に観察され、地盤の有効ポisson比のシフトと相関しており、補助的性質に類似した挙動を示している。
• 震源の近接性が粒子運動の形状および向きに顕著な影響を及ぼし、有効媒質特性の解釈に影響を与える。
• 時間領域における軌道図から、構造化メッシュ内で波モード変換が発生していることが確認され、複雑な粒子運動パターンが生じている。
• 実験結果は、土壌内に周期的インクルージョンを有する地震メタマテリアルの理論的枠組みを裏付け、波の集束および再配分効果を示している。
• 本研究は、工学的地下構造が有効媒質工学を用いてレイリー波の伝播を制御できることを直接的な実験的証拠で示している。