Control of low frequency signal through liquid-solid interaction

The control of low-frequency wave propagation is a key challenge in the development of advanced metamaterials for vibration mitigation, sensing, and signal-processing applications. In this context, fluid–solid locally resonant metamaterials offer unique opportunities to manipulate mechanical waves through the interaction between structural deformation and confined fluids. This thesis investigates the behaviour of fluid–solid locally resonant metamaterials through a combined numerical, analytical, and experimental approach. Starting from a liquid-filled resonant metamaterial proposed in the literature, finite element models were developed in COMSOL Multiphysics® to analyse band-gap formation, wave attenuation, and transmission characteristics. Particular attention was devoted to the role of fluid communication between adjacent unit cells and to the introduction of graded architectures inspired by the tonotopic organization of the human cochlea. The numerical analyses demonstrate that interconnected fluid domains modify the propagation mechanisms of the structure, enabling stronger fluid–structure coupling than non-communicating configurations. By introducing a progressive variation of the unit-cell geometry, a frequency-dependent spatial localization of vibrations was obtained, leading to a tonotopic-like behaviour in which different frequency components concentrate in different regions of the structure. A further key contribution of the work is the identification of an inversion of the dominant transmission mechanism between the fluid and solid phases. Depending on the excitation direction, vibrational energy is preferentially transmitted through either the solid matrix or the fluid domain, revealing the existence of competing propagation pathways that can be controlled through structural grading. To support the interpretation of the numerical results, an analytical mass–spring model incorporating coupled fluid, solid, and membrane degrees of freedom was developed. Finally, prototypes were fabricated through LCD resin additive manufacturing and the experimental results confirmed the main numerical predictions, including attenuation regions, frequency-dependent localization patterns, and excitation-direction-dependent propagation effects. The results demonstrate that graded fluid–solid metamaterials can simultaneously achieve wave attenuation, frequency localization, and transmission-path selection, making them promising candidates for bio-inspired sensing devices and information-processing metamaterials capable of mechanically pre-processing signals before electronic acquisition.

Il controllo della propagazione delle onde a bassa frequenza rappresenta una delle principali sfide nello sviluppo di metamateriali avanzati per applicazioni di attenuazione delle vibrazioni, sensoristica ed elaborazione dei segnali. In questo contesto, i metamateriali fluido-solido localmente risonanti offrono opportunità uniche per la manipolazione delle onde meccaniche attraverso l'interazione tra la deformazione della struttura ed i fluidi confinati al suo interno. La presente tesi analizza il comportamento dei metamateriali fluido-solido localmente risonanti mediante un approccio integrato numerico, analitico e sperimentale. A partire da un metamateriale risonante riempito di liquido proposto in letteratura, sono stati sviluppati modelli agli elementi finiti in COMSOL Multiphysics® per studiare la formazione dei band gap, l’attenuazione delle onde e le caratteristiche di trasmissione. Particolare attenzione è stata dedicata al ruolo della comunicazione fluida tra celle adiacenti e all’introduzione di architetture graduate ispirate all’organizzazione tonotopica della coclea umana. Le analisi numeriche hanno dimostrato che l'interconnessione tra i domini fluidi modifica i meccanismi di propagazione della struttura, favorendo un accoppiamento fluido–struttura più marcato rispetto alle configurazioni con celle non comunicanti. Attraverso l'introduzione di una variazione progressiva della geometria delle celle elementari è stato ottenuto un fenomeno di localizzazione spaziale delle vibrazioni dipendente dalla frequenza, che conduce a un comportamento analogo alla tonotopia, nel quale differenti componenti frequenziali si concentrano in regioni diverse della struttura. Un ulteriore contributo significativo del lavoro è rappresentato dall'identificazione di un'inversione del meccanismo di trasmissione dominante tra la fase fluida e quella solida. A seconda della direzione di eccitazione, l'energia vibratoria viene trasmessa preferenzialmente attraverso la matrice solida oppure attraverso il dominio fluido, evidenziando l'esistenza di percorsi di propagazione concorrenti che possono essere controllati mediante la gradazione strutturale. Per supportare l’interpretazione dei risultati numerici è stato sviluppato un modello analitico massa–molla che include i gradi di libertà accoppiati associati al fluido, alla struttura e alla membrana risonante. Infine, sono stati realizzati prototipi mediante tecniche di manifattura additiva LCD a base di resina e i risultati sperimentali hanno confermato le principali previsioni numeriche, tra cui la presenza di regioni di attenuazione, fenomeni di localizzazione dipendente dalla frequenza e gli effetti di propagazione legati alla direzione di eccitazione. I risultati ottenuti dimostrano che i metamateriali graduati fluido–solido sono in grado di combinare simultaneamente attenuazione delle onde, localizzazione in frequenza e selezione del percorso di trasmissione dell'energia. Tali caratteristiche li rendono candidati promettenti per lo sviluppo di dispositivi di sensoristica bioispirati e di metamateriali per l'elaborazione dell'informazione, capaci di effettuare un pretrattamento meccanico dei segnali prima della loro acquisizione elettronica.