Mass-Stiffness Substructured Elastic Metamaterials for Total Transmission Ultrasonic Wave Engineering

Abstract

본 연구에서는 완벽투과율과 동시에 여러 파동 특이 현상을 제공하는 질량-강성 분절구조 탄성 메타 물질에 대한 새로운 설계 방법론을 구현 및 정립하는 것을 목표로 한다. 최근, 비파괴 검사 및 의료계 이미징 등의 광범위한 응용 분야에서 초음파를 혁신적으로 제어 할 수 있는 인공구조물인 탄성 메타물질들이 크게 대두되었다. 그러나, 기존의 시스템들은 인위적으로 제조 된 (천공 된 혹은 합성 된) 메타물질과 그 바탕의 매질 사이에 필연적으로 존재하는 임피던스 불일치 때문에 여전히 매우 낮은 투과성의 한계를 겪고 있으며, 이는 결과적으로 검사 품질을 심각하게 저해한다.<br/> 이러한 고질적인 딜레마를 해결하기 위해 본 연구에서는 탄성 메타 물질 단위 구조의 질량 및 강성 특성을 독립적으로 제어하여 자체의 임피던스가 외부 탄성 매체에 대해 편리하게 조정될 수 있는 방법론을 제안하였다. 구체적으로는, 독창적으로 설계된 국부 공진기를 포함하는 기본 분절 구조가 오로지 질량 또는 강성만을 각각 조절하도록 설계 하는 것이다. 이러한 분절 구조들을 적절히 배합함으로써, 임피던스 매칭 조건 (완벽투과) 과 동시에 특이 등가물성치 (음의 유효 질량/강성 뿐만 아니라 극대화된 물성치도 포함) 를 활용한 파동 특이 현상을 구현할 수 있다.<br/> 더 나아가 이렇게 개발 된 하부 구조 방법을 이용하여 두 가지 새로운 탄성 메타 물질 구조를 제안하였다. 먼저, 세파장 스케일 내에서 혁신적 인 빔 패턴 조종을 위한 탄성 메타 서피스를 설계하기 위해 임피던스 매칭 조건과 동시에 낮은 위상 속도를 달성하였다