[论文解读] Flat lens for seismic waves

Stéphane Brûlé, Stéfan Enoch+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2016

Seismic Waves and Analysis参考文献 14被引用 11

一句话总结

该论文通过大规模现场实验，利用带有垂直圆柱形孔洞阵列的结构化土壤网格，展示了用于地震波的超表面透镜，实现了低频段（<10 Hz）的有效负折射。结果呈现出类似于Veselago-Pendry超表面透镜的能量聚焦分布，为地震波控制以减轻灾害提供了可能。

ABSTRACT

A prerequisite for achieving seismic invisibility is to demonstrate the ability of civil engineers to control seismic waves with artificially structured soils. We carry out large-scale field tests with a structured soil made of a grid consisting of cylindrical and vertical holes in the ground and a low frequency artificial source (&lt; 10 Hz). This allows the identification of a distribution of energy inside the grid, which can be interpreted as the consequence of an effective negative refraction index. Such a flat lens reminiscent of what Veselago and Pendry envisioned for light opens avenues in seismic metamaterials to counteract the most devastating components of seismic signals.

研究动机与目标

• 通过人工结构化土壤实现地震波控制，以实现潜在的地震隐身。
• 研究土壤中周期性排列的垂直孔洞阵列是否可作为具有有效负折射特性的超材料。
• 在真实世界的大规模地震环境中，验证理论预测的超表面透镜行为。
• 识别低频地震波中体现负折射率行为的能量聚焦模式。
• 探索地震超材料在减轻破坏性地震信号方面的实际应用。

提出的方法

• 在天然土壤中布设垂直圆柱形孔洞阵列，开展大规模现场测试。
• 采用低频地震源（<10 Hz）激发通过结构化土壤介质的地震波。
• 利用地面传感器测量波的传播过程及能量分布。
• 通过分析空间能量分布模式，检测与负折射一致的聚焦效应。
• 运用有效介质理论，将观测到的波行为解释为有效负折射率的证据。
• 将实验结果与Veselago和Pendry提出的电磁波超表面透镜理论模型进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有周期性垂直孔洞的结构化土壤介质是否能对地震波表现出有效负折射？
• RQ2 结构化土壤网格中的能量分布是否表现出超表面透镜特有的聚焦行为？
• RQ3 人工土壤结构在多大程度上可控制并重新定向低频地震波？
• RQ4 现场实验能否证实地震超材料在亚波长尺度下的理论预测？
• RQ5 此类结构在实际土木工程应用中用于地震波减灾是否具有可行性？

主要发现

• 结构化土壤网格产生了明显的地震波能量集中，表明实现了有效的波束聚焦。
• 观测到的能量分布与具有负折射率的超表面透镜理论特征相符。
• 聚焦点位置与有效介质理论及Veselago-Pendry透镜模型的预测一致。
• 该现象在低频段（<10 Hz）被观测到，与地震中地表地震波的频率范围相关。
• 结果证实，工程化土壤结构可像光学超材料一样操控地震波传播。
• 该实验为在天然地基中利用周期性亚波长结构实现地震波控制提供了实证依据。