Bio-inspired graded metamaterials for broadband attenuation and tonotopic behaviour

This thesis has been developed in the framework of the ERC Advanced Grant 2023 Project 101140720 - IMMENSE (erc-immense.eu). The work investigates the elastodynamic behaviour of cyclically symmetric pseudocrystals. Drawing inspiration from efficient biological architectures, these geometries represent a significant emerging research frontier in the field of acoustic metamaterials. The study demonstrates that these structures possess a dual functionality: they exhibit robust broadband wave attenuation capabilities while simultaneously preserving distinct tonotopic behaviour. The process to identify geometric configurations capable of exhibiting tonotopy, started from a model directly inspired from the human cochlea. Then the focus shifted towards cyclically periodic structures, where the tonotopic behaviour results clear without the necessity of nonlinear mechanisms. In both cases, a reference publication was selected for qualitative reproduction, aimed at validating the understanding of the underlying physical principles and evaluating the actual suitability of the structures for further and more detailed examinations. Specifically, this work illustrates a comprehensive numerical investigation into the design and characterization of three-dimensional graded phononic pseudocrystals, optimized for elastic wave attenuation in cyclically symmetric microstructures. Exploiting periodicity, the investigation focuses on a wedge domain, defined by the same macroscopic geometry for the four analysed cases. Finally, to evaluate the factors influencing the remarkably high attenuation demonstrated by the structure, various unit cell topologies and reference structures were analysed.

Il presente lavoro di tesi è stato sviluppato all’interno del progetto ERC Advanced Grant 2023 Project 101140720 - IMMENSE (erc-immense.eu). La ricerca si pone l’obiettivo di analizzare il comportamento dinamico di quasicristalli fononici a simmetria ciclica. Tali geometrie, che traggono ispirazione da strutture biologiche, rappresentano un argomento sempre più rilevante nell’ambito dei metamateriali acustici. Lo studio dimostra come queste configurazioni siano in grado di esibire sia un potere attenuante in un range eccezionalmente ampio, che un comportamento tonotopico ben definito. Il procedimento per definire la struttura capace di esibire tonotopia, dapprima ha interessato un modello ispirato direttamente alla coclea umana, per poi passare all’analisi di strutture a simmetria ciclica, in cui il comportamento tonotopico risulta chiaro senza la necessità di introdurre meccanismi non lineari. In entrambi i casi, è stata selezionata una pubblicazione di riferimento, finalizzata ad una riproduzione qualitativa volta a validare la comprensione dei principi fisici sottostanti e valutare l’effettiva possibilità di analisi più approfondite. Nello specifico, in questo elaborato viene illustrata un’indagine numerica sulla progettazione e caratterizzazione di quasicristalli fononici tridimensionali con sezione che varia gradualmente lungo lo sviluppo, con scopo l’attenuazione di onde elastiche su geometrie alla microscala. Sfruttando la periodicità di tali oggetti, lo studio è stato condotto su un singolo settore circolare, definito macroscopicamente dagli stessi parametri geometrici nei quattro casi analizzati. Infine, per valutare l’influenza dei diversi fattori sulla particolarmente elevata attenuazione dimostrata dalla struttura, sono state analizzate diverse celle di partenza e alcune strutture di riferimento.