[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究通过实验表明，土壤中亚表面的圆柱形孔洞阵列可诱导瑞利波表现出类似 auxetic 的行为，由于波模式转换和有效介质效应，导致其椭圆度发生变化。关键发现是，孔洞网格可局部改变质点运动轨迹，可解释为有效泊松比的变化，为工程化地基结构中的地震波调控提供了新机制。

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.

研究动机与目标

• 研究周期性亚表面圆柱形孔洞阵列对表面瑞利波偏振态和椭圆度的影响。
• 通过实验验证具有刚性嵌入物的结构化地基中有效介质行为的理论预测。
• 探讨波椭圆度变化与有效材料参数（如泊松比）之间的关联。
• 分析震源距离和波模式转换在塑造质点运动轨迹中的作用。
• 评估此类结构化土壤作为地震超材料在波调控和能量重分布方面的潜力。

提出的方法

• 通过垂直（x,z）和水平（x,y）平面中表面质点速度分量的时域分析，重构轨道运动。
• 实验设置包括一个在上层10米内嵌入周期性圆柱形孔洞阵列的缩尺土壤层模型。
• 测量并可视化瑞利波质点的轨道轨迹（椭圆），以量化椭圆度和方向的变化。
• 利用波模式转换分析解释观测到的质点运动模式变化。
• 将实验测得的椭圆度数据与地震超材料有效介质理论的理论预测进行比较。
• 应用有效泊松比概念，解释波偏振变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 周期性亚表面圆柱形孔洞阵列如何影响瑞利波质点运动的椭圆度和方向？
• RQ2 瑞利波椭圆度的变化在多大程度上可解释为泊松比的有效变化？
• RQ3 震源距离在塑造观测到的椭圆质点轨迹中起什么作用？
• RQ4 孔洞网格内部的波模式转换如何导致波偏振的观测变化？
• RQ5 具有周期性孔洞阵列的结构化土壤能否作为能够实现波调控的地震超材料？

主要发现

• 圆柱形孔洞网格可局部改变椭圆质点运动的主轴，导致瑞利波轨道轨迹发生可测量的倾斜。
• 实验观测到波椭圆度的变化，并与地基有效泊松比的偏移相关，表明表现出类似 auxetic 的行为。
• 震源距离显著影响椭圆质点运动的形状和方向，从而影响对有效介质特性的解释。
• 时域轨道图证实，波模式转换发生在结构化网格内部，导致复杂的质点运动模式。
• 实验结果验证了基于土壤中周期性嵌入物的地震超材料理论框架，展示了波聚焦和偏转效应。
• 本研究提供了直接的实验证据，表明通过有效介质工程可实现对亚表面结构化地基中瑞利波传播的调控。