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굽힘파 집중을 위한 능동제어 탄성 메타물질
대표 URL https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2019.103300
작성자 관리자 게시일 2020.10.15 조회수 884

굽힘파 집중을 위한 능동제어 탄성 메타물질

 

단위구조의 주기적 배열로 구성된 탄성 메타물질은 파장대비 매우 작은 스케일로 유효물성을 설계하여 기계 또는 구조물에서 발생하는 파를 효과적으로 제어할 수 있다. 톈진대학의 Yi-Ze Wang 박사 연구팀은 중심에서 멀어질수록 밀도감소 대비 탄성계수가 급격히 감소하여 평판에서 발생한 굽힘파를 중심으로 집중시키는 굽힘파 블랙홀 메타구조를 제안했다. 제안된 메타구조는 얇은 평판 중심에 원형의 코어구조가 있고 그 주위에 서로 다른 두 등방성 부채꼴구조를 원주방향을 따라 주기적으로 배열한 구조를 갖는다. 연구팀은 먼저 이러한 제안된 구조가 코어구조에서는 일정한 물성을 갖고 부채꼴구조에서 길이방향에 따라 물성이 감소하는 것을 굽힘파 수식의 좌표계 변환을 통해 확인하였다. 또한 제안된 메타물질은 중심부에서 멀어질수록 밀도감소 대비 탄성계수가 급격히 감소하게 된다. 이러한 물성변화는 굽힘파의 속도의 영향을 끼치는데 굽힘파의 속도가 메타물질 중심에 가까워질수록 빨라지고 멀어질수록 느려져 블랙홀처럼 굽힘파가 메타물질 코어에 집중되게 된다. 또한 연구팀은 이러한 메타물질 부채꼴구조에 압변환기를 부착하여 능동제어 했을 때 집중 성능을 광대역화 가능성을 확인하였다. 메타물질의 집중성능이 능동제어없이 구조만 기능했을 때 800-1500Hz의 광대역 굽힘파 집중 성능을 갖고 능동제어와 함께 기능할 경우 밴드폭이 2000kHz까지 확장되는 것을 수치해석과 실험을 통해 매우 유사한 결과로 검증되었다. 소개된 연구는 파동 에너지 집중을 통해 효율성 향상을 필요로 하는 응용분야에서 효과적인 파동제어가 가능한 기술이 될 것으로 기대된다.

 

출처:  Ning, L., Wang, Y. Z., & Wang, Y. S. (2020). Active control of a black hole or concentrator for flexural waves in an elastic metamaterial plate. Mechanics of Materials, 142, 103300.

[담당자: 이재화(jaehwalee@kimm.re.kr, 7462)]

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