Fluid-solid periodic structures for wave propagation control

The following work is part of ERC-Advanced Grant Immense european project and wants investigate the design and the fabrication process of solid-liquid structures for control of wave propagation. The two main inspirations for this research are the working principle of human auditory system and locally resonant acoustic metamaterials: resonators composed of different costituents (polymeric matrix, embedded liquid and polymeric flexible coatings) are arranged in linear arrays to obtain structures characterized by acoustic bandgaps at low-frequency range. Different designs are proposed to broaden the bandgap thus created through rainbow technique. A numerical model is implemented on the software COMSOL Multiphysics to study the multiphisics problem of acousto-elastic coupling; theoretical results are obtained for the acoustic bandgap frequency range. Transmission analysis are numerically performed on each structure to evaluate the reliability of the theoretical model for the acoustic bandgap prediction and in a second step, for the inverse problem: acoustic bandgaps of rainbow structures are correctly predicted through transmission analysis. Tonotopic properties of the composed structures are analyzed for possible future applications. The structure are fabricated through additive manufacturing, and the parameters influencing the success of the printing are analyzed: a reliable process is thus defined for future printing of more complex geometry. The structures thus created are finally experimentally analyzed, through the use of a laser vibrometer: experimental transmission analysis have been performed and some comparison are provided.

Il lavoro proposto fa parte del progetto europeo ERC-Advanced Grant Immense e vuole investigare il design e il processo di fabbricazione di strutture solido-liquide per il controllo della propagazione di onde acustiche. Il lavoro ha come ispirazioni principali il funzionamento del sistema uditivo umano e i metamateriali localmente risonanti: strutture risonanti composte di diversi materiali (matrice polimerica, liquido interno e membrane flessibili) sono disposte in modo lineare per ottenere delle bande acustiche a bassa frequenza in cui il segnale non può essere trasmesso. Sono proposti diversi design che giocano sulle caratteristiche geometriche della struttura per ottenere un allargamento di tali bande. Un modello numerico è stato realizzato tramite il software COMSOL Multiphysics per prevedere il range di frequenze caratterizzante la banda acustica proibita; successivamente delle analisi numeriche di trasmissione sono state eseguite per supportare i risultati teorici. Le proprietà tonotopiche delle strutture così formate sono state valutate per possibili applicazioni future. Le strutture sono state poi prodotte tramite stampa 3D, e i diversi parametri di stampa che caratterizzano la riuscita del processo sono stati identificati: è stato definito un processo di fabbricazione affidabile, anche per la stampa di design futuri più complessi. Le strutture sono state infine analizzate sperimentalmente tramite l'utilizzo di un vibrometro laser, e dei confronti qualitativi con i risultati numerici sono stati prodotti.