Progetto di metamateriali elettricamente attivi ad alte prestazioni per il controllo della propagazione di onde elastiche.

Abstract

Negli anni recenti si è assistito ad un notevole sviluppo nella ricerca sui metamateriali che rappresentano una categoria di materiali con proprietà particolari e non comuni. Questa tesi si concentra sulla progettazione di un metafiltro acustico a controllo elettrico attivo, dispositivo che è in grado di controllare la propagazione delle onde elastiche nel suo dominio utilizzando una disposizione periodica di microstrutture elementari. Il metamateriale viene realizzato a partire da un sistema periodico esachirale a blocchi rigidi con interfacce elastiche, al quale vengono successivamente aggiunti risonatori inerziali piezoelettrici controllati elettricamente che ne conferiscono la proprietà acustica. Nella prima parte della tesi si ottiene analiticamente lo spettro di dispersione delle frequenze per il dispositivo standard senza risonatori, utilizzando la teoria di Floquet-Bloch applicata ad un modello discreto del problema. Successivamente, lo stesso sistema discreto viene continualizzato ad un modello continuo equivalente di Cosserat. I risultati analitici ottenuti vengono poi validati mediante approccio numerico utilizzando il software COMSOL®. In questa fase sono compiute analisi parametriche per valutare l’effetto della variazione delle rigidezze delle interfacce e dell’angolo di chiralità. Nella seconda parte della tesi si introduce il risonatore inerziale piezoelettrico del sistema considerato, descrivendone l’implementazione e conducendo altrettante analisi parametriche. Sulla base dei risultati ottenuti, si selezionano i materiali da utilizzare per le componenti e si dimensiona il risonatore nell’ottica di ottimizzare le proprietà acustiche a controllo elettrico attivo. Infine, per convalidare la progettazione del metamateriale vengono eseguite prove sperimentali numeriche che simulano l’applicazione reale del sistema studiato.

In recent years, there has been a significant development in research on metamaterials, which represent a category of materials with unique and uncommon properties. This thesis focuses on the design of an actively controlled acoustic metafilter, a device capable of controlling the propagation of elastic waves in its domain using a periodic arrangement of elementary microstructures. The metamaterial is created from a periodic system of rigid hexachiral blocks with elastic interfaces, to which electrically controlled piezoelectric inertial resonators are subsequently added to confer acoustic properties. In the first part of the thesis, the frequency dispersion spectrum for the standard device without resonators is analytically obtained using Floquet-Bloch theory applied to a discrete model of the problem. Subsequently, the same discrete system is converted into an equivalent continuous Cosserat model. The analytical results obtained are then validated using a numerical approach with COMSOL® software. In this phase, parametric analyses are conducted to evaluate the effect of varying interface stiffness and chiral angle. In the second part of the thesis, the piezoelectric inertial resonator of the considered system is introduced, describing its implementation and conducting further parametric analyses. Based on the obtained results, materials are selected for the components, and the resonator is sized with the aim of optimizing the electrically controlled acoustic properties. Finally, to validate the design of the metamaterial, numerical experimental tests are performed to simulate the real-world application of the studied system.