Novel Solitonic Waveguides Based on Granular Phononic Crystals

基于粒状声子晶体的新型孤子波导

基本信息

项目摘要

The research objective of this award is to simulate and measure the formation of acoustic solitons in two-dimensional granular waveguides. The PIs will design and fabricate hexagonally packed granular lattices "defined as granular phononic crystals" contained in a narrow channel. The PIs will unveil unique soliton formation and transmission mechanisms in the assembled granular architectures. The fundamental understanding of soliton propagation will enable a new class of waveguides that can filter, delay, and redirect acoustic solitons in a controllable and efficient manner. The PIs will achieve this research goal by developing an advanced discrete element model (DEM) and a novel digital image correlation (DIC) technique. Based on molecular dynamics techniques, the DEM will simulate the propagation of solitons under the full consideration of axial and rotational dynamics of tightly packed, frictional particles. The PIs will verify the numerical simulation results by the DIC techniques that measure extremely small particle displacements at high sampling rates.From the viewpoint of physics, the findings in this study will contribute to the advancement of nonlinear mechanics of granular media based on the Lagrangian description of particle dynamics. With a view towards potential engineering applications, the fabricated solitonic waveguide can open a new paradigm in mechanical wave filtering, acoustic imaging, and nondestructive evaluation by leveraging an added degree of freedom in controlling mechanical waves. Besides contributing to science and engineering, the research activities will also have a broader impact on educating students. The PIs will recruit and train underrepresented students via student services and programs at the University of South Carolina (USC). The knowledge and product obtained from this work will be integrated into the new graduate program in aerospace engineering at USC.
该奖项的研究目标是模拟和测量二维粒状波导中声孤子的形成。 PI 将设计和制造包含在狭窄通道中的六方堆积颗粒晶格,“定义为颗粒声子晶体”。 PI 将在组装的颗粒架构中揭示独特的孤子形成和传输机制。对孤子传播的基本理解将使新型波导能够以可控且有效的方式过滤、延迟和重定向声孤子。 PI 将通过开发先进的离散元模型 (DEM) 和新颖的数字图像相关 (DIC) 技术来实现这一研究目标。基于分子动力学技术,DEM 将在充分考虑紧密堆积的摩擦粒子的轴向和旋转动力学的情况下模拟孤子的传播。 PI将通过DIC技术验证数值模拟结果,该技术可在高采样率下测量极小的粒子位移。从物理学的角度来看,本研究的发现将有助于基于拉格朗日描述的颗粒介质非线性力学的进步粒子动力学。着眼于潜在的工程应用,所制造的孤子波导可以通过利用控制机械波的附加自由度,在机械波滤波、声学成像和无损评估方面开辟新的范例。除了为科学和工程做出贡献之外,研究活动还将对学生教育产生更广泛的影响。 PI 将通过南卡罗来纳大学 (USC) 的学生服务和项目招募和培训代表性不足的学生。从这项工作中获得的知识和产品将被整合到南加州大学航空航天工程新的研究生课程中。

项目成果

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