Design of an elliptic acoustic cloaking device for underwater applications leveraging pentamode metamaterials

Acoustic cloaking in underwater environment aims to the reduction of sonar signature of a target, whose research and development has received strong impulse from the need to hide from the enemy during the warlike events of the twentieth century. The possibility of realizing a futuristic cloak of invisibility has always fascinated the minds of scientists, remaining an utopian concept until significant improvements were achieved in the ability to manipulate acoustic waves in recent decades. A remarkable boost has been given by the growing interest within the scientific community in the study and development of artificial macroscopic composites, called metamaterials, capable of exhibiting unusual and exotic properties that cannot be observed in materials found in nature. Among these, Pentamode Materials PM deserve a special mention, in that they found application in the underwater field due to the similarity of their mechanical properties to those of liquids, that's why they are also referred to as metafluids. In this context, this thesis deals with the design of an elliptical cross-section acoustic cloaking device, capable of reducing the low frequency sonar signature of a submarine. The study of an elliptical configuration is not reported in current literature and it leads to a generalization of the circular case, representing a greater attraction for industrial applications. The analysis of two pentamode cell topologies provided preliminary knowledge for the design of the internal microstructure of the cloak. Results of numerical simulations describe encouraging results which are also preparatory for a future experimental campaign.

La tecnologia stealth in ambiente subacqueo è legata alla riduzione della segnatura sonar di un bersaglio, la cui ricerca e sviluppo ha ricevuto forte impulso dalla necessità di nascondersi dal nemico durante gli eventi bellici che hanno contraddistinto il ventesimo secolo. La possibilità di realizzare un avveniristico mantello di invisibilità ha da sempre affascinato le menti di scienziati rimanendo utopia fino al deciso miglioramento della capacità di manipolare le onde acustiche raggiunta negli ultimi decenni. Una significativa spinta è da ricondurre al crescente interesse nello studio e sviluppo di compositi macroscopici artificiali, detti metamateriali, capaci di esibire proprietà inusuali ed esotiche non osservabili in materiali presenti in natura. Tra questi, menzione particolare meritano i materiali pentamodo, i quali hanno trovato applicazione in campo subacqueo per la somiglianza delle loro proprietà meccaniche a quelle di liquidi, motivo per il quale sono anche conosciuti con il nome di metafluidi. In questo contesto, questa tesi tratta la progettazione di un mantello di invisibilità acustica di sezione ellittica capace di ridurre la segnatura sonar di un sottomarino per basse frequenze. Lo studio di una configurazione ellittica non è presente in letteratura e costituisce una generalizzazione del caso circolare, rappresentando una maggiore attrattiva per applicazioni di tipo industriale. L'analisi di due topologie di celle pentamodo ha fornito una conoscenza preliminare per la progettazione della microstruttura interna del mantello. I risultati delle simulazioni numeriche descrivono incoraggianti risultati propedeutici ad una futura campagna sperimentale.