学术前沿 | 利用局部共振土壤耦合超材料屏障衰减体波

总之，本研究讨论了使用土壤耦合的超材料（MM）屏障来衰减体波的可能性。评估了在低频（大波长）情况下，使用一个相对较薄的垂直于振动传播方向的障碍物的有效性。为了帮助进行评估，研究进行了数值与实验相结合的研究，使用实验室缩尺模型研究共振屏障对土壤中体弹性波传播的影响。该缩尺模型包含了基于局部共振耦合和布拉格带隙（Bragg BGs）的两种主要超材料设计所产生的不同共振结构。采用了圆柱形包覆物将结构与土壤耦合，同时允许共振器自由振动。研究分析了不同参数对所选解决方案的影响：共振结构使用了不同厚度的PLA和钢材制造，并测试了两种不同的单元格（UC），具有两种不同的晶格参数和填充率。这使得可以考虑对其中两个设计进行周期性重复的单元格。

所选的整体圆柱形几何形状简化了地面振动问题的几何方面，消除了与半空间几何相关的表面效应，从而避免了表面（雷利）波和模态转换效应的影响。这使得能够以简化的方式评估屏障配置的性能，便于将超材料结构、振动特性和整体屏障传输特性之间的关系进行关联。

总体来说，数值与实验相结合的研究表明，在低频范围内，超材料结构的某些共振模式与传输谱中出现了结构衰减的现象。在有效的频率衰减区域，超材料设计的影响也有所显现，尤其是在局部共振效应更加显著的地方。较厚的PLA屏障似乎更具前景，因为它们增强了惯性效应，并与粘弹性阻尼效应相结合。

未来还需要进一步的研究，以评估在更实际的设置中与其他设计相比该解决方案的效率，例如在半空间配置中，考虑表面波传播、散射和波转换效应。然而，从这些初步结果来看，提出的用于土壤振动减缓的屏障概念是可行的，并且可以在低频衰减中实现频率调谐。从应用的角度来看，这种方法特别具有吸引力，因为这些屏障可以完全埋入土壤中，紧邻产生振动的基础设施，距离仅几米，从而提供一种非侵入性的解决方案。该领域的进展可能会在交通基础设施的可持续性方面带来显著的益处，特别是在人口密集的城市化地区。