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Mass-Stiffness Substructured Elastic Metamaterials for Total Transmission Ultrasonic Wave Engineering : 질량-강성 분절설계 탄성 메타물질을 활용한 완벽투과율 초음파 제어
| DC Field | Value | Language |
|---|---|---|
| dc.contributor.advisor | 김윤영 | - |
| dc.contributor.author | 이혁 | - |
| dc.date.accessioned | 2018-11-12T00:58:05Z | - |
| dc.date.available | 2018-11-12T00:58:05Z | - |
| dc.date.issued | 2018-08 | - |
| dc.identifier.other | 000000153025 | - |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10371/143179 | - |
| dc.description | 학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 기계항공공학부(멀티스케일 기계설계전공), 2018. 8. 김윤영. | - |
| dc.description.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.
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. 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 | - |
| dc.description.tableofcontents | TABLE OF CONTENTS
ABSTRACT i TABLE OF CONTENTS iii LIST OF TABLES vii LIST OF FIGURES viii INTRODUCTION 1 1.1 Research Motivation 1 1.2 Research Objectives 3 1.3 Outline of Thesis 6 WAVE PROPAGATION IN PERIODIC LUMPED ELEMENT STRUCTURES 9 2.1 Chapter Overview 9 2.2 1-D Lumped-Element Lattice 10 2.2.1 Dispersion relation analysis 11 2.2.2 2-Dimensional dispersion relation: Equi-frequency contour (EFC) 13 2.3 1-D Lumped-Element Lattice with Local Resonators: Metamaterials 15 2.3.1 Effective mass tuning by dipolar resonance 16 2.3.2 Effective stiffness tuning by monopolar resonance 17 2.4 Wave Propagation Analysis for Metamaterials 19 PROPOSITION OF TRANSFER MATRIX METHOD FOR SUBSTRUCTURE DESIGN AND ANALYSIS 33 3.1 Chapter Overview 33 3.2 Transfer Matrix Method 35 3.2.1 Spring-Mass-Spring model (Meff-substructure) 38 3.2.2 Mass-Spring-Mass model (Keff-substructure) 40 3.3 Transfer Matrix Method Employed in Theoretical Domain 42 3.3.1 Dispersion curve evaluation 42 3.3.2 Characteristic impedance evaluation 44 3.3.3 Transmission spectra of multiple lumped-element structures embedded within continuum media 47 3.4 Transfer Matrix Method Employed in Numerical Simulation Domain with Actual Continuum Structures 52 3.4.1 Dispersion curve, characteristic impedance, and transmission coefficient retrieval 56 3.4.2 Effective parameter retrieval 59 3.5 Summary 64 ELASTIC METASURFACE FOR HIGH TRANSMISSION ANOMALOUS BEAM REFRACTION 78 4.1 Chapter Overview 78 4.2 Generalized Snells Law 81 4.3 Mechanics of Substructured Unit Cell 82 4.3.1 Analysis on each substructure 85 4.3.2 Analysis on the geometry of slits to control stiffness 87 4.3.3 Dispersion relation 90 4.4 Transmission and Phase Spectra for Multiple Unit Cells 90 4.4.1 Full transmission condition due to impedance matching and tunneling 93 4.4.2 Unit cell geometry variation for both full transmission and 2π phase coverage 95 4.5 Numerical Simulation of the Refracted Beam Pattern Manipulation 99 4.6 Experimental Validation 102 4.7 Summary 106 HYPERBOLIC ELASTIC METAMATERIAL LENS FOR TOTAL TRANSMISSION SUPER-RESOLUTION IMAGING 131 5.1 Chapter Overview 131 5.2 Mechanics of Highly Anisotropic Unit Cell 134 5.2.1 2-D mass-spring model 135 5.2.2 Basic equation for simple mass-spring system with respect to effective parameters 136 5.2.3 x-directional parameters: resonant mass density 137 5.2.4 y-directional parameters: resonant stiffness 139 5.2.5 Explanation for simultaneous monopolar/dipolar resonances 142 5.3 Unit Cell Analysis Based on Transfer Matrix Method 143 5.3.1 Negative mass in the transverse direction: for hyperbolic dispersion 144 5.3.2 Extreme stiffness in the propagating direction: for total transmission 145 5.4 Physical Explanation on Super-Resolution Imaging by Hyperbolic Dispersion 146 5.5 1-D Total Transmission Condition due to Impedance Matching Condition 148 5.6 Numerical Simulations of Super-Resolution Imaging 151 5.7 Experimental Verification 153 5.8 Summary 160 CONCLUSIONS 175 APPENDIX A. Derivation of the Nth power of the unimodular matrix 179 REFERENCES 182 ABSTRACT (KOREAN) 191 ACKNOWLEDGEMENTS 193 | - |
| dc.language.iso | en | - |
| dc.publisher | 서울대학교 대학원 | - |
| dc.subject.ddc | 621 | - |
| dc.title | Mass-Stiffness Substructured Elastic Metamaterials for Total Transmission Ultrasonic Wave Engineering | - |
| dc.title.alternative | 질량-강성 분절설계 탄성 메타물질을 활용한 완벽투과율 초음파 제어 | - |
| dc.type | Thesis | - |
| dc.description.degree | Doctor | - |
| dc.contributor.affiliation | 공과대학 기계항공공학부(멀티스케일 기계설계전공) | - |
| dc.date.awarded | 2018-08 | - |
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