On the design of composite pentamode materials and their dynamic behavior

Acoustic cloaking in underwater applications aims to hinder the detection of a target by a sonar. The research and development of anti-submarine warfare devices has received strong impulse from the warlike events of the twentieth century. The practical realization of cloaking devices remained an elusive concept until significant improvements were achieved in the capability to manipulate waves in recent decades. A remarkable contribution in the acoustic field it has been given by the development of Transformation Acoustic theory together with the study and development of engineered macroscopic composites, called metamaterials. They exhibit unusual and exotic properties that are not found in natural materials. Among these, Pentamode Materials PM deserve a special mention since they share similar mechanical properties with fluids. They are also known as metafluids. This similarity explains the interest for underwater applications they have attracted. In this context, this thesis deals with the design of a new family of PM for acoustic cloaking applications. They feature an hard skeleton placed within a soft viscoelastic matrix. The soft matrix, representing the innovation, is introduced to avoid flooding, to improve the structural resistance and to provide additional damping. A fair comparison between a classic PM and the new two-phase PM is carried out. The results suggest that the new concept could be exploited. The thesis continues presenting a semi analytical method, that allows to gain the physical insight of what happens when coupling a PM with an actual fluid, in the 2D scenario. The work is concluded by showing a promising solution for three dimensional extension of PM.

La tecnologia stealth in ambiente subacqueo è sfruttata per impedire il tracciamento di un bersaglio da parte di un sonar. La ricerca e lo sviluppo di della tecnologia per il tracciamento di sottomarini ha ricevuto un forte impulso dagli eventi bellici che hanno contrassegnato il ventesimo secolo. La realizzazione pratica di un mantello di invisibilità è rimasta un concetto sfuggente fino al significativo miglioramento della capacità di manipolare le onde raggiunta negli ultimi decenni. Un importante contributo nel campo acustico è stato fornito dallo sviluppo della teoria della Trasformazione Acustica, assieme allo studio e allo sviluppo di compositi macroscopici ingegnerizzati, detti metamateriali. Essi esibiscono proprietà inusuali ed esotiche non osservabili in materiali naturali. Tra questi, meritano una menzione speciale i materiali pentamodo, che presentano proprietà meccaniche simili a quelle dei fluidi. Sono anche conosciuti come metafluidi. Questa somiglianza spiega l’interesse suscitato per applicazioni subacquee. In questo contesto, questa tesi tratta la progettazione di una nuova famiglia di materiali pentamodo per la realizzazione della tecnologia stealth. Essi sono caratterizzati da una struttura dura posizionata all’interno di una "morbida" matrice viscoelastica. La matrice, rappresentante la novità della soluzione, è introdotta per evitare l’annegamento, per migliorare la resistenza strutturale e fornire smorzamento addizionale al mantello acustico. Un equo confronto tra un classico pentamodo e uno presentante il nuovo design è analizzato. I risultati suggeriscono che il nuovo concetto possa essere sfruttato. La tesi prosegue presentando un metodo semi-analitico, che permette di capire la fisica di ciò che avviene quando si considera l’effettivo accoppiamento del PM con un fluido per il caso bidimensionale. L’elaborato si conclude mostrando una promettente soluzione per l’estensione tridimensionale dei materiali pentamodo.