Effective Impedance-Controlled Elastic Metamaterials for Emission Enhancement of Omnidirectional Shear-Horizontal Waves

Abstract

본 연구에서는 전방향 전파 전단 수평 파원의 출력을 크게 개선할 수 있는 실질적인 방법론에 대해 다루며, 이와 관련된 물리 이론을 정립하고 관련된 탄성 메타물질의 설계방법을 제시하는 것을 목표로 한다. 초음파의 세기는 검사 정확도와 직결되기 때문에, 초음파를 가진하는 트랜스듀서의 성능을 개선하려는 많은 방법들이 연구되어왔다. 특히, 넓은 검사범위를 효과적으로 대응할 수 있는 전방향 초음파 트랜스듀서는 고유의 물리적 특성으로 인해 전파방향으로 세기가 감소하여 그 필요성이 더욱 대두된다. 또한, 전단 수평파는 다른 초음파 모드에 비해 실직적인 유용성을 가짐에도 가진이 어려워 높은 세기를 확보하는데 어려움이 있다. 하지만, 기존의 연구들은 초음파를 생성하는 트랜스듀서의 내부적 설계에 국한되어 개발이 되어왔기에 실질적인 적용을 고려해보았을 때, 기대할 수 있는 세기는 한정된다. 본 연구에서는 내부적 설계와 무관하게 트랜스듀서 주위로 검사 대상체에 부착하는 비파괴적인 방법으로 초음파의 세기를 크게 증폭시킬 수 있는 메타물질을 제안한다. 먼저, 이산 질량과 스프링으로 구성된 공진기로 설계된 메타물질 링은 두 가지 물리 원칙 1) 낮은 임피던스 환경 조성과 2) 페브리-페로 공진 현상을 야기한다. 메타물질 링의 기계적 메커니즘과 유효 매질로 균질화된 등가 시스템을 해석함으로써 초음파의 방출 향상을 설명한다. 트랜스듀서는 낮은 임피던스 환경에서 더욱 큰 출력으로 초음파를 생성하며, 경계에서 발생된 임피던스 차이로 인한 저투과 문제를 페브리-페로 공진 현상을 통해 극복한다. 한편, 비파괴 검사를 수행하는 경우, 검사 정확도를 위해 짧은 주기의 신호가 선호된다는 점에서 입력 신호에 대한 메타물질의 민감도를 고려할 필요가 있다. 이에 대응하여 본 연구에서는 국부 영역의 임피던스를 증가 시킬 수 있는 메타물질 상판을 제안한다. 새롭게 정의된 전달행렬과 산란행렬을 이용하여 물리현상을 규명하고 필요한 물리적 특성을 조사한다. 상판은 임피던스 차이를 발생시켜 초음파의 부분적 반사와 투과를 일으키는데, 페브리-페로 캐비티를 형성하는 기하 조건에서 임피던스 차이의 비율만 만큼 출력을 크게 향상시킨다. 또한, 상판 구조는 비공진 구조로 설계되어 상대적으로 낮은 입력 신호 민감도를 갖기 때문에 실용성이 매우 높다. 제안하는 탄성 메타물질은 높은 출력을 필요로 하는 초음파를 이용한 비파괴 검사 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대한다.

This dissertation aims to investigate practical techniques to significantly enhance the emission of omnidirectional shear horizontal wave sources, and to provide background physics and design methods for elastic metamaterials. Since the intensity of ultrasonic wave is directly related to the inspection accuracy, various approaches have been studied to improve the performance of ultrasonic wave transducers. In particular, the intensity of an omnidirectional ultrasonic transducer that can effectively respond to a wide inspection range decreases in the propagation direction due to its unique physical features, further raising the necessity. Additionally, while the shear horizontal wave mode has its advantages, it is challenging to secure high intensity. However, existing studies have been developed limited to the internal design of ultrasonic wave transducers, so the expected intensity is limited considering a practical application. This study proposes a non-destructive method to attach a metamaterial to the inspection object around the transducer to significantly enhance the emission of ultrasonic waves regardless of the transducer's internal design. First, the metamaterial ring is designed as a resonator of segmented mass and springs to cause two physical principles: 1) low impedance environment and 2) Fabry-Perot resonance phenomenon. By interpreting the mechanical mechanism of the metamaterial ring and the equivalent system homogenized with an effective medium, we explain the emission enhancement of ultrasonic waves. The transducer generates ultrasonic waves with larger output in a low impedance environment and overcomes the low transmission problem due to the impedance difference generated at the boundary through the Fabry-Perot resonance phenomenon. On the other hand, when performing a non-destructive test, it is necessary to consider the sensitivity of the metamaterial to the input cycles in that a short period of signal is preferred for inspection accuracy. In response, this study proposes a metamaterial superstrate capable of increasing the impedance of the local area. The physical phenomenon is identified using the newly defined transfer matrix and scattering matrix, and the necessary properties are investigated. The superstrate causes partial reflection and transmission of ultrasonic waves by generating impedance differences, which significantly enhance the wave emission by only the ratio of impedance differences under the geometric conditions forming the Fabry-Perot cavity. In addition, the superstrate structure, designed as a non-resonance type, is relatively insensitive to the number of cycles, so it is very practical. The proposed elastic metamaterials are expected to have high potential to the field of non-destructive testing using ultrasonic waves that require power enhancement.