Selective Mode Conversion and Rainbow Trapping via Graded Elastic Waveguides

Ponti, Jacopo Maria De; Iorio, Luca; Riva, Emanuele; Ardito, Raffaele; Braghin, Francesco; Corigliano, Alberto

doi:10.1103/physrevapplied.16.034028

Cited by 52 publications

(32 citation statements)

References 69 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Unclassified

Order By: Relevance

“…Thus, the frequency content of the wavefield incident on the graded area is modified through interaction with it. A phenomenon referred to as rainbow trapping [4,29,30]. Overall the metamaterial induces a band gap from 200 to 680 Hz.…”

Section: A the Metamaterials Under Investigationmentioning

confidence: 99%

Boundless metamaterial experimentation: physical realization of a virtual periodic boundary condition

Thomsen¹,

Bao²,

Colombi³

2023

Preprint

View full text Add to dashboard Cite

We experimentally implement a virtual geometric periodicity in an elastic metamaterial. First, unwanted boundary reflections at the domain ends are cancelled through the iterative injection of the polarity reversed, reflected wavefield. The resulting boundless experimental state allows for a much better analysis of the metamaterials influence on the propagating wavefield. Subsequently, the propagating wavefield exiting on one end of the structure is reintroduced at the opposite end, creating a virtual geometric periodicity. We find that the experimentally observed band gap converges to the analytical solution through the introduction of the virtual periodicity. The established workflow introduces a novel approach to the experimental investigation and validation of metamaterial prototypes in the presence of strongly dispersive wave propagation and internal scattering.The fully data driven, ad-hoc treatment of boundary conditions in metamaterial experimentation with arbitrary mechanical properties enables reflection suppression, virtual periodicity, and the introduction of more general fictitious boundaries. I. INTRODUCTIONEngineered metamaterials have long since proven their capabilities to exhibit extraordinary material properties [1-3], as well as manipulate and attenuate wave propagation [4,5] using band gaps. Such prohibited frequency ranges can be architected into materials via either Bragg scattering phononic crystals [6] or locally resonant metamaterials [7]. The later enables sub-wavelenghth bandgaps [8] and has recently been leveraged for broadband energy harvesting [9][10][11][12]. Numerical simulations drive the development of metamaterials, the ever increasing available computational power making it feasible to rapidly model different designs. Nevertheless, experimental investigation and validation of prototype structures remains essential. Whereas in numerical studies, effects such as low absorbing boundary layers or local damping [13,14] can be introduced to simulate free space wave propagation, laboratory experiments are often plagued by modal responses of the system caused by, e.g., free or clamped boundaries. Additionally, wave propagation within the structure is difficult to interpret due to boundary reflections. Thus, it is often challenging to accurately distinguish phenomena caused by the metamaterial under study from those of the whole system. Con- *

show abstract

Section: A the Metamaterials Under Investigationmentioning

confidence: 99%

Boundless metamaterial experimentation: physical realization of a virtual periodic boundary condition

Thomsen¹,

Bao²,

Colombi³

2023

Preprint

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…В роботах [15], [16] запропоновані конструкції пружних хвилеводів, які показують принципову можливість управлінням потоком енергії за рахунок трансформації одного типу хвиль в ін-ший та зміні симетрії хвилеводу. При цьому акцент робиться на зміні симетрії хвилеводу, що призводить до зміни симетрії коливань.…”

Section: аналіз останніх досліджень і публікаційunclassified

Вплив Симетрії Коливань І Співвідношення Ширин Півшарів На Прозорість Межі В Ступінчатому Хвилеводі

Городецька¹,

Старовойт²,

Соболь³

et al. 2022

SBT

View full text Add to dashboard Cite

Стаття присвячена аналізу розсіяного поля на межі ступінчатого хвилеводу, утвореного жорстким кон[1]тактом двох півшарів з однаковими механічними характеристиками, але з різними ширинами. Хвильове поле збуджується першою нормальною хвилею, що поширюється з нескінченності у вужчому півшарі. Математич[1]ні труднощі поставленої граничної задачі обумовлені наявністю степеневої особливості по напруженням в точці зміни граничних умов на межі двох півшарів. Розв’язок будується методом суперпозиції, який дозволяє врахувати локальну особливість через асимптотичні особливості невідомих. Критерієм якості отриманого розв’язку був контроль точності виконання умов спряження на межі двох півшарів. Основна увага в роботі зосереджена на встановлені умов зміни прозорості межі в залежності від частот, симетрії коливань і спів[1]відношення ширин півшарів. В роботі було показано, що як для симетричних, так і для антисиметричних коли[1]вань ступінчатого хвилеводу існують частотні діапазони, в яких прозорість межі суттєво змінюється. Для обох видів симетрії в діапазоні частот до критичної частоти для третьої поширюваної нормальної хвилі існує два частих діапазони, в яких прозорість межі досить різко зростає. Частоти, на яких спостерігається лока[1]льні максимуми енергії у відбитому полі, для симетричних і антисиметричних коливань різні. Для симетричних коливань перший максимум енергії у відбитому полі спостерігається на частоті, коли в обох півшарах може поширюватись тільки одна хвиля. Цей ефект обумовлений збільшенням ролі неоднорідних хвиль у пройденому полі. Другий максимум енергії у відбитому полі обумовлений трансформацією енергії падаючої хвилі в поширю- Наукоємні технології № 3(55), 2022 © Gorodetskaya N., Starovoit I., Sobol T., Shcherbak T., 2022 253 вані хвилі вищих порядків. При антисиметричних коливаннях обидва максимуми обумовлені енергетичними особливостями поширюваних хвиль вищих порядків. Добротність резонансу енергії у відбитому полі виявилась також значно залежною від симетрії коливань. Встановлені особливості розсіяного поля дозволяють розроб[1]ляти рекомендації щодо управління прозорістю межі в ступінчатому хвилеводі.

show abstract

“…Due to the cross section symmetry, we focus the analysis on the wave propagation of the A 0 flexural mode. It is worth to mention that a symmetry-broken cross-section or a non-null coupling between consecutive resonators may trigger different phenomena involving the excitation of waves with different polarization (De Ponti et al, 2021). Herein, we limit the analysis to the A 0 mode and we consider all other supported modes as orthogonal to the excitation mechanism.…”

Section: Rainbow Reflection Mechanicsmentioning

confidence: 99%

Enhanced Energy Harvesting of Flexural Waves in Elastic Beams by Bending Mode of Graded Resonators

et al. 2021

Self Cite

View full text Add to dashboard Cite

We show efficient elastic energy transfer and wave confinement through a graded array of resonators attached to an elastic beam. Experiments demonstrate that flexural resonators of increasing lengths allow to reduce wave scattering and to achieve the rainbow effect with local wavefield amplifications. We show that the definition of a monotonically decreasing distribution of the natural frequencies of the resonators along the wave propagation direction, is the preferable choice to increase the energy efficiency of the system. The proposed configuration is suitable for micro-fabrication, envisaging practical applications for micro-scale vibration energy harvesting.

show abstract

Selective Mode Conversion and Rainbow Trapping via Graded Elastic Waveguides

Abstract: This is a post-peer-review, pre-copyedit version of Selective Mode Conversion and Rainbow Trapping via Graded Elastic Waveguides, Jacopo M.

Cited by 52 publications

References 69 publications

Boundless metamaterial experimentation: physical realization of a virtual periodic boundary condition

Boundless metamaterial experimentation: physical realization of a virtual periodic boundary condition

Вплив Симетрії Коливань І Співвідношення Ширин Півшарів На Прозорість Межі В Ступінчатому Хвилеводі

Enhanced Energy Harvesting of Flexural Waves in Elastic Beams by Bending Mode of Graded Resonators

Contact Info

Product

Resources

About