Dispersion and energy relations in periodic chains and grids

In this study wave propagation, dispersion relations, and energy relations for linear elastic periodic systems are analyzed. In particular, the dispersion relations for monoatomic chain of infinite dimension are obtained analytically by writing the Block-type wave equation for a unit cell in order to capture the dynamic behavior for chains under prescribed vibration. By comparing the discretized model (mass-spring chain) with the solid bar system, the nonlinearity of the dispersion relation for chain indicates that the periodic lattice is dispersive in contrast to the continuous rod, which is non dispersive. Further investigations have been performed considering one-dimensional diatomic linear elastic mass-spring chain. The dispersion relations, energy velocity, and group velocity have been derived. At certain range of frequencies harmonic plane waves do not propagate in contrast with monoatomic chain. Also, since the diatomic chain considered is a linear elastic chain, both of the energy velocity and the group velocity are identical. As long as the linear elastic condition is considered the results show zero flux condition without residual energy. In addition, this paper shows that the diatomic chain dispersion relations are independent on the unit cell scheme. Finally, an extension for the study covers the dispersion and energy relations for 2D- grid system. The 2x2 grid system show a periodicity of the dispersion surface in the wavenumber domain. In addition, the symmetry of the surface can be exploited to identify an Irreducible Brillouin Zone (IBZ). Compact representations of the dispersion properties of multidimensional periodic systems are obtained by plotting frequency as the wave vector’s components vary along the boundary of the IBZ, which leads to a widely accepted and effective visualization of bandgaps and overall dispersion properties.

Sub-wavelength resonators as seismic Rayleigh waves shield

We explore the thesis that tall structures can be protected by means of seismic metamaterials. Seismic metamaterials can be built as some elements are created over soil layer with different shapes, dimensions, patterns and from different materials. Resonances in these elements are acting as locally resonant metamaterials for Rayleigh surface waves in the geophysics context. Analytically we proved that if we put infinite chain of SDOF resonator over the soil layer as an elastic, homogeneous and isotropic material, vertical component of Rayleigh wave, longitudinal resonance of oscillators will couple with each other, they would create a Rayleigh bandgap frequency, and wave will experience attenuation before it reaches the structure. As it is impossible to use infinite chain of resonators over soil layer, we considered finite number of resonators throughout our simulations. Analytical work is interpreted using finite element simulations that demonstrates the observed attenuation is due to bandgaps when oscillators are arranged at sub-wavelength scale with respect to the incident Rayleigh wave. For wavelength less than 5 meters, the resulting bandgaps are remarkably large and strongly attenuating when impedance of oscillators matches impedance of soil. Since longitudinal resonance of SDOF resonator are proportional to its length inversely, a formed array of resonators that attenuates Rayleigh waves at frequency ≤10 Hz could be designed starting from vertical pillars coupled to the ground. Optimum number of vertical pillars and their interval spacing called effective area of resonators are investigated. For 10 pillars with effective area of 1 meter and resonance frequency of 4.9 Hz, bandgap frequency causes attenuation and a sinusoidal impulsive force illustrate wave steering down phenomena. Simulation results proved analytical findings of this work.

Electromagnetic simulation and measurement of diffuse scattering from building walls

Il fenomeno dello scattering diffuso è stato oggetto di numerosi studi nell’arco degli ultimi anni, questo grazie alla sua rilevanza nell’ambito della propagazione elettromagnetica così come in molti altri campi di applicazione (remote sensing, ottica, fisica, etc.), ma la compresione completa di questo effetto è lungi dall’essere raggiunta. Infatti la complessità nello studio e nella caratterizzazione della diffusione deriva dalla miriade di casistiche ed effetti che si possono incontrare in un ambiente di propagazione reale, lasciando intuire la necessità di trattarne probabilisticamente il relativo contributo. Da qui nasce l’esigenza di avere applicazioni efficienti dal punto di vista ingegneristico che coniughino la definizione rigorosa del fenomeno e la conseguente semplificazione per fini pratici. In tale visione possiamo descrivere lo scattering diffuso come la sovrapposizione di tutti quegli effetti che si scostano dalle classiche leggi dell’ottica geometrica (riflessione, rifrazione e diffrazione) che generano contributi del campo anche in punti dello spazio e direzioni in cui teoricamente, per oggetti lisci ed omogenei, non dovrebbe esserci alcun apporto. Dunque l’effetto principale, nel caso di ambiente di propagazione reale, è la diversa distribuzione spaziale del campo rispetto al caso teorico di superficie liscia ed omogenea in congiunzione ad effetti di depolarizzazione e redistribuzione di energia nel bilancio di potenza. Perciò la complessità del fenomeno è evidente e l’obiettivo di tale elaborato è di proporre nuovi risultati che permettano di meglio descrivere lo scattering diffuso ed individuare altresì le tematiche sulle quali concentrare l’attenzione nei lavori futuri. In principio è stato quindi effettuato uno studio bibliografico così da identificare i modelli e le teorie esistenti individuando i punti sui quali riflettere maggiormente; nel contempo si sono analizzate le metodologie di caratterizzazione della permittività elettrica complessa dei materiali, questo per valutare la possibilità di ricavare i parametri da utilizzare nelle simulazioni utilizzando il medesimo setup di misura ideato per lo studio della diffusione. Successivamente si è realizzato un setup di simulazione grazie ad un software di calcolo elettromagnetico (basato sul metodo delle differenze finite nel dominio del tempo) grazie al quale è stato possibile analizzare la dispersione tridimensionale dovuta alle irregolarità del materiale. Infine è stata condotta una campagna di misure in camera anecoica con un banco sperimentale realizzato ad-hoc per effettuare una caratterizzazione del fenomeno di scattering in banda larga.