Сейсмический метаматериал

Сейсмический метаматериал — метаматериал , предназначенный для противодействия неблагоприятному воздействию сейсмических волн на искусственные конструкции, существующие на поверхности Земли или вблизи нее. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} В современных конструкциях сейсмических метаматериалов используются конфигурации скважин, ^{[ 4 ]} деревья ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} или предложили подземные резонаторы, которые будут действовать как крупномасштабный материал. Эксперименты наблюдали как отражения, так и затухание запрещенной зоны искусственно вызванных сейсмических волн. Это первые эксперименты, подтверждающие, что сейсмические метаматериалы можно измерять на частотах ниже 100 Гц, где ущерб от волн Рэлея наиболее вреден для искусственных структур.

Механика сейсмических волн

более миллиона землетрясений Ежегодно всемирной системой станций обнаружения землетрясений регистрируется распространения . Скорость сейсмических волн зависит от плотности и упругости земных материалов. Другими словами, скорости сейсмических волн различаются по мере того, как они проходят через разные материалы Земли . Двумя основными компонентами сейсмического события являются объемные волны и поверхностные волны . Оба они имеют разные способы распространения волн. ^{[ 7 ]}

На пути к сейсмической маскировке

Расчеты показали, что сейсмические волны, идущие к зданию , можно направить вокруг здания, оставив здание невредимым, с помощью сейсмических метаматериалов . Очень длинные волны землетрясений будут сокращаться по мере взаимодействия с метаматериалами ; волны будут проходить вокруг здания так, чтобы прийти в фазу по мере распространения волны землетрясения, как если бы здания не было. Математические модели создают регулярный шаблон, обеспечиваемый маскировкой метаматериала . Этот метод был впервые реализован с помощью метаматериалов электромагнитной маскировки — электромагнитная энергия фактически направляется вокруг объекта или дыры, и защита зданий от сейсмических волн использует тот же принцип. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Гигантские полимеров, изготовленные из резонаторы с разрезным кольцом, в сочетании с другими метаматериалами предназначены для взаимодействия на сейсмической длине волны . Концентрические слои этого материала будут уложены друг на друга, причем каждый слой будет разделен эластичной средой. Сработавшая конструкция представляет собой десять слоев из шести различных материалов, которые можно легко использовать в фундаменте зданий. По состоянию на 2009 год проект все еще находится на стадии проектирования. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Принципы электромагнитной маскировки сейсмических метаматериалов

для защиты поверхностных конструкций предложение включает слоистую структуру метаматериалов, разделенных упругими пластинами цилиндрической Для сейсмических метаматериалов конфигурации. Предыдущее моделирование показало, что можно создать защиту от электромагнитного излучения с помощью концентрических, чередующихся слоев электромагнитных метаматериалов. Это исследование отличается от сокрытия включениями в разрезном кольцевом резонаторе, выполненном из анизотропного метаматериала. ^{[ 8 ]}

Конфигурацию можно рассматривать как чередующиеся слои « однородного изотропного диэлектрического материала» А. с «однородным изотропным диэлектрическим материалом» Б. Каждый диэлектрический материал намного тоньше излучаемой длины волны. В целом такая структура представляет собой анизотропную среду. Слоистые диэлектрические материалы окружают «бесконечный проводящий цилиндр». Слоистые диэлектрические материалы расходятся наружу концентрически, и цилиндр заключен в первый слой. Остальные слои чередуются и окружают предыдущий слой вплоть до первого слоя. Рассеяние электромагнитных волн было рассчитано и смоделировано для слоистой структуры (метаматериала) и анизотропного метаматериала с разрезным кольцевым резонатором, чтобы показать эффективность слоистого метаматериала. ^{[ 8 ]}

Принципы акустической маскировки сейсмических метаматериалов

Теория и дальнейшее развитие сейсмического метаматериала основаны на преобразованиях координат, достигаемых при сокрытии небольшого цилиндрического объекта электромагнитными волнами . За этим последовал анализ акустической маскировки и того, можно ли применить преобразования координат к искусственно изготовленным акустическим материалам . ^{[ 3 ]}

Применение концепций, используемых для понимания электромагнитных материалов, к свойствам материалов в других системах показывает, что они очень похожи. Волновой вектор , волновое сопротивление и направление потока энергии универсальны. Понимая, как диэлектрическая проницаемость и проницаемость контролируют эти компоненты распространения волн , можно использовать применимые аналогии для других материальных взаимодействий. ^{[ 9 ]}

В большинстве случаев применение преобразования координат к искусственным упругим средам невозможно. Однако существует по крайней мере один особый случай, когда существует прямая эквивалентность между электромагнетизмом и эластодинамикой . Более того, этот случай представляется практически полезным. В двух измерениях изотропные акустические среды и изотропные электромагнитные среды совершенно эквивалентны. В этих условиях изотропная характеристика работает в анизотропных средах. и ^{[ 9 ]}

Математически было продемонстрировано, что двумерные уравнения Максвелла с нормальным падением применимы к двумерным акустическим уравнениям при замене электромагнитных параметров следующими акустическими параметрами: давлением , векторной скоростью жидкости , массовой плотностью жидкости и объемным модулем жидкости . Решения волн сжатия, используемые в электромагнитной маскировке, переносятся в материальные жидкостные решения, где движение жидкости параллельно волновому вектору. Затем расчеты показывают, что преобразования координат могут быть применены к акустическим средам, если они ограничены нормальным падением в двух измерениях. ^{[ 9 ]}

Далее упоминается электромагнитная маскирующая оболочка как точный эквивалент моделируемой демонстрации акустической маскирующей оболочки. Объемный модуль и плотность массы определяют пространственные размеры плаща, способного огибать любую падающую волну вокруг центра оболочки. В моделировании с идеальными условиями, поскольку легче продемонстрировать задействованные принципы, рассеяние в любом направлении нулевое. ^{[ 9 ]}

Сейсмический плащ

можно продемонстрировать Однако с помощью вычислений и визуального моделирования , что волны на самом деле рассеиваются вокруг здания. Показано, что частотный диапазон этой возможности не имеет ограничений относительно излучаемой частоты . Сам плащ не рассеивает ни вперед, ни назад , следовательно, сейсмический плащ становится эффективной средой. ^{[ 3 ]}

Эксперименты с сейсмическими метаматериалами

В 2012 году исследователи провели экспериментальные полевые испытания недалеко от Гренобля (Франция) с целью подчеркнуть аналогию с фононными кристаллами. ^{[ 4 ]}

В геофизическом масштабе в лесу в регионе Ланды во Франции в 2016 году был проведен амбициозный сейсмический эксперимент под названием эксперимент METAFORET. ^{[ 6 ]} продемонстрировали, что деревья могут значительно изменять поверхностное волновое поле из-за своих связанных резонансов, если они расположены в субволновом масштабе. Последующий полевой эксперимент под названием META-WT был проведен на ветряной электростанции Науэн. ^{[ 10 ]} Это впервые продемонстрировало, что в масштабе города коллективный резонанс конструкций ветряных турбин может изменять распространяющиеся через него сейсмические волны. Эти новые наблюдения имеют значение для сейсмической опасности в городе, где плотные городские конструкции, такие как высокие здания, могут сильно изменить волновое поле.

См. также

Свойства материала

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Джонсон, Р. Колин (23 июля 2009 г.). «Плащ из метаматериала может сделать здания «невидимыми» для землетрясений» . EETimes.com . Проверено 9 сентября 2009 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Баррас, Колин (26 июня 2009 г.). «Плащ-невидимка может скрыть здания от землетрясений» . Новый учёный . Проверено 20 октября 2009 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Брун, М.; С. Генно; и А.Б. Мовчан (9 февраля 2009 г.). «Достижение контроля над плоскими упругими волнами». Прил. Физ. Летт . 94 (61903): 061903.arXiv : 0812.0912 . Бибкод : 2009ApPhL..94f1903B . дои : 10.1063/1.3068491 . S2CID 17568906 .
^ Jump up to: ^а ^б Брюле, С.; Жавло, Э.Г.; Енох, С.; Генно, С. (31 марта 2014 г.). «Эксперименты с сейсмическими метаматериалами: формирование поверхностных волн» . Письма о физических отзывах . 112 (13): 133901. Бибкод : 2014PhRvL.112m3901B . doi : 10.1103/PhysRevLett.112.133901 . ПМИД 24745420 .
^ Коломби, А.; Ру, П; Генно, С.; Геген, П.; Крастер, Р. (11 января 2016 г.). «Леса как естественный сейсмический метаматериал: запрещенная зона волн Рэлея, вызванная локальными резонансами» . Природа . 6 (19238): 19238. Бибкод : 2016NatSR...619238C . дои : 10.1038/srep19238 . ПМЦ 4707539 . ПМИД 26750489 .
^ Jump up to: ^а ^б Ру, П.; Бинди, Д; Боксбергер, Т.; Коломби, А.; Коттон, Ф.; Дуст-Бак, И.; Гарамбуа, С.; Геген, П.; Хиллерс, Г.; Холлис, Д.; Лекок, Т.; Пондавен, И. (01 марта 2018 г.). «На пути к сейсмическим метаматериалам: проект METAFORET». Письма о сейсмологических исследованиях . 89 (2А): 582–593. Бибкод : 2018SeiRL..89..582R . дои : 10.1785/0220170196 .
^ Кребс, Роберт Э. (2003). Основы науки о Земле . Вестпорт, Коннектикут, США: Greenwood Publishing Group, Incorporated. стр. 32–33. ISBN 978-0-313-31930-3 .
^ Jump up to: ^а ^б Хуан, Ин; Фэн, Ю; Цзян, Т. (21 августа 2007 г.). «Электромагнитная маскировка слоистой структурой однородных изотропных материалов». Оптика Экспресс . 15 (18): 11133–11141. arXiv : 0709.0363 . Бибкод : 2007OExpr..1511133H . дои : 10.1364/OE.15.011133 . ПМИД 19547468 . S2CID 15547562 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Каммер, Стивен А; Дэвид Шуриг (2 марта 2007 г.). «Один путь к акустической маскировке» . Новый журнал физики . 9 (3): 45. Бибкод : 2007NJPh....9...45C . дои : 10.1088/1367-2630/9/3/045 .
^ Пильц, Марко; Ру, Филипп; Мохаммед, Шоаиб Айджаз; Гарсия, Рафаэль Ф.; Штайнманн, Рене; Обер, Корали; Бернауэр, Феликс; Геген, Филипп; Орнбергер, Матиас; Коттон, Фабрис (2024). «Ветровые турбины как городской слой, подобный метаматериалу: экспериментальное исследование с использованием плотной сейсмической группы и дополнительных технологий зондирования» . Границы в науках о Земле . 12 . Бибкод : 2024FrEaS..1252027P . дои : 10.3389/feart.2024.1352027 . ISSN 2296-6463 .

[seismic-cloak-1] Jump up to: ^а ^б ^с Джонсон, Р. Колин (23 июля 2009 г.). «Плащ из метаматериала может сделать здания «невидимыми» для землетрясений» . EETimes.com . Проверено 9 сентября 2009 г.

[seismic-cloak-2-2] Jump up to: ^а ^б ^с Баррас, Колин (26 июня 2009 г.). «Плащ-невидимка может скрыть здания от землетрясений» . Новый учёный . Проверено 20 октября 2009 г.

[control_elastic_waves-3] Jump up to: ^а ^б ^с Брун, М.; С. Генно; и А.Б. Мовчан (9 февраля 2009 г.). «Достижение контроля над плоскими упругими волнами». Прил. Физ. Летт . 94 (61903): 061903.arXiv : 0812.0912 . Бибкод : 2009ApPhL..94f1903B . дои : 10.1063/1.3068491 . S2CID 17568906 .

[ReferenceA-4] Jump up to: ^а ^б Брюле, С.; Жавло, Э.Г.; Енох, С.; Генно, С. (31 марта 2014 г.). «Эксперименты с сейсмическими метаматериалами: формирование поверхностных волн» . Письма о физических отзывах . 112 (13): 133901. Бибкод : 2014PhRvL.112m3901B . doi : 10.1103/PhysRevLett.112.133901 . ПМИД 24745420 .

[5] Коломби, А.; Ру, П; Генно, С.; Геген, П.; Крастер, Р. (11 января 2016 г.). «Леса как естественный сейсмический метаматериал: запрещенная зона волн Рэлея, вызванная локальными резонансами» . Природа . 6 (19238): 19238. Бибкод : 2016NatSR...619238C . дои : 10.1038/srep19238 . ПМЦ 4707539 . ПМИД 26750489 .

[forest_2018-6] Jump up to: ^а ^б Ру, П.; Бинди, Д; Боксбергер, Т.; Коломби, А.; Коттон, Ф.; Дуст-Бак, И.; Гарамбуа, С.; Геген, П.; Хиллерс, Г.; Холлис, Д.; Лекок, Т.; Пондавен, И. (01 марта 2018 г.). «На пути к сейсмическим метаматериалам: проект METAFORET». Письма о сейсмологических исследованиях . 89 (2А): 582–593. Бибкод : 2018SeiRL..89..582R . дои : 10.1785/0220170196 .

[seismic_waves-7] Кребс, Роберт Э. (2003). Основы науки о Земле . Вестпорт, Коннектикут, США: Greenwood Publishing Group, Incorporated. стр. 32–33. ISBN 978-0-313-31930-3 .

[layered-metamtarial-8] Jump up to: ^а ^б Хуан, Ин; Фэн, Ю; Цзян, Т. (21 августа 2007 г.). «Электромагнитная маскировка слоистой структурой однородных изотропных материалов». Оптика Экспресс . 15 (18): 11133–11141. arXiv : 0709.0363 . Бибкод : 2007OExpr..1511133H . дои : 10.1364/OE.15.011133 . ПМИД 19547468 . S2CID 15547562 .

[acoustic-transform-media-9] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Каммер, Стивен А; Дэвид Шуриг (2 марта 2007 г.). «Один путь к акустической маскировке» . Новый журнал физики . 9 (3): 45. Бибкод : 2007NJPh....9...45C . дои : 10.1088/1367-2630/9/3/045 .

[10] Пильц, Марко; Ру, Филипп; Мохаммед, Шоаиб Айджаз; Гарсия, Рафаэль Ф.; Штайнманн, Рене; Обер, Корали; Бернауэр, Феликс; Геген, Филипп; Орнбергер, Матиас; Коттон, Фабрис (2024). «Ветровые турбины как городской слой, подобный метаматериалу: экспериментальное исследование с использованием плотной сейсмической группы и дополнительных технологий зондирования» . Границы в науках о Земле . 12 . Бибкод : 2024FrEaS..1252027P . дои : 10.3389/feart.2024.1352027 . ISSN 2296-6463 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]