[논문 리뷰] Low-frequency wide band-gap elastic/acoustic meta-materials using the K-damping concept

Ioannis Antoniadis, Eleni Chatzi외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 29.

Acoustic Wave Phenomena Research참고 문헌 28인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 저주파 영역의 탄성/음향 메타물질에서 기존의 무거운 내부 질량을 음의 스프링 상수를 가진 요소로 대체하는 새로운 K-감쇠 개념을 제안한다. 이는 넓은 금역과 향상된 감쇠 성능을 달성하면서도 큰 추가 질량을 요구하지 않도록 한다. 이 방법은 국소 진동과 음의 스프링 상수를 활용하여 진동과 파동의 억제를 실현하며, 1차원 질량-질량 격자에서 블로흐 이론과 모드 해석을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

The terms "acoustic/elastic meta-materials" describe a class of periodic structures with unit cells exhibiting local resonance. This localized resonant structure has been shown to result in negative effective stiffness and/or mass at frequency ranges close to these local resonances. As a result, these structures present unusual wave propagation properties at wavelengths well below the regime corresponding to band-gap generation based on spatial periodicity, (i.e. "Bragg scattering"). Therefore, acoustic/elastic meta-materials can lead to applications, especially suitable in the low-frequency range. However, low frequency range applications of such meta-materials require very heavy internal moving masses, as well as additional constraints at the amplitudes of the internally oscillating locally resonating structures, which may prohibit their practical implementation. In order to resolve this disadvantage, the K-Damping concept will be analyzed. According to this concept, the acoustic/elastic meta-materials are designed to include negative stiffness elements instead or in addition to the internally resonating added masses. This concept removes the need for the heavy locally added heavy masses, while it simultaneously exploits the negative stiffness damping phenomenon. Application of both Bloch's theory and the classical modal analysis at the one-dimensional mass-in-mass lattice is analyzed and corresponding dispersion relations are derived. The results indicate significant advantages over the conventional mass-in-a mass lattice, such as broader band-gaps and increased damping ratio and reveal significant potential in the proposed solution. Preliminary feasibility analysis for seismic meta-structures and low frequency acoustic isolation-damping confirm the strong potential and applicability of this concept.

연구 동기 및 목표

• 저주파 영역에서 진동을 흡수하기 위해 기존의 질량-질량 메타물질이 요구하는 무거운 내부 질량의 한계를 극복하기 위해.
• 국소 공진 구조에서 높은 질량과 변위 제약 조건으로 인해 발생하는 실용적 적용의 과제를 해결하기 위해.
• 추가 질량 없이 넓은 금역과 높은 감쇠 비율을 달성하기 위해 음의 스프링 상수 요소(K-감쇠)를 활용한 설계 전략을 개발하기 위해.
• 1차원 격자에서 분산 관계와 모드 행동의 이론적 분 析를 통해 K-감쇠 개념을 검증하기 위해.
• 지진 메타구조 및 음향 차단과 같은 저주파 응용 분야에 대한 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• K-감쇠 개념은 주기적인 탄성/음향 메타물질의 격자 세포에 음의 스프링 상수 요소를 도입하여 기존의 추가 질량을 대체하거나 보완한다.
• 블로흐 이론을 적용하여 음의 스프링 상수를 가진 1차원 질량-질량 격자에서의 파동 전파를 분석하고 분산 관계를 유도한다.
• 고전적 모드 해석을 사용하여 시스템의 동적 거동과 감쇠 특성을 평가한다.
• 이론적 모델을 통해 K-감쇠 구성과 기존의 질량-질량 시스템을 비교하여 금역의 넓이와 감쇠 비율을 평가한다.
• 음의 스프링 상수에 의해 강화된 국소 공진을 활용하여 효과적인 음의 스프링 상수와 질량 특성을 도출한다.
• 수치적 및 해석적 유도를 통해 넓은 금역과 향상된 감쇠 성능의 발생을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 음의 스프링 상수 요소가 저주파 영역의 탄성/음향 메타물질에서 기존의 무거운 내부 질량을 효과적으로 대체할 수 있는가?
• RQ2 1차원 질량-질량 격자에서 음의 스프링 상수의 포함이 금역의 너비에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 K-감쇠 개념이 기존의 질량-질량 메타물질에 비해 감쇠 비율을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 음의 스프링 상수는 주기적 메타물질에서의 파동 전파 및 국소화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 K-감쇠 개념은 실용적인 저주파 영역의 진동 및 음향 차단 응용을 가능하게 하는가?

주요 결과

• K-감쇠 개념은 추가 무거운 내부 질량 없이도 저주파 영역의 탄성/음향 메타물질에서 넓은 금역을 생성할 수 있음을 보여준다.
• 기존의 질량-질량 구성과 비교해 시스템의 감쇠 비율이 크게 향상됨을 확인하였다.
• 블로흐 이론을 통한 분산 관계 유도 결과, 국소 공진과 음의 스프링 상수의 병합 효과로 인해 넓은 정지대가 존재하는 것으로 확인되었다.
• 이론적 분석 결과, 음의 스프링 상수가 파동의 감쇠 및 국소화를 향상시켜 진동 차단 성능을 향상시킴을 입증하였다.
• 초기 실현 가능성 연구를 통해 지진 메타구조 및 저주파 음향 차단 분야에 강력한 잠재력을 지닌 것으로 확인되었다.