Nonlinear elastic wave propagation in a phononic material with periodic solid–solid contact interface

非线性系统 离散化 材料科学 声学 频带 谐波 二次方程 稳健性(进化) 物理 数学分析 计算机科学 数学 带宽(计算) 电信 几何学 量子力学 生物化学 基因 化学
作者
Inbar Hotzen Grinberg,Kathryn H. Matlack
出处
期刊:Wave Motion [Elsevier]
卷期号:93: 102466-102466 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.wavemoti.2019.102466
摘要

Phononic materials enable enhanced dynamic properties, and offer the ability to engineer the material response. In this work we study the wave propagation in such a structure when introduced with nonlinearity. Our system is comprised of pre-compressed material with periodic solid–solid contacts, which exhibit a quadratic nonlinearity for small displacements. We suggest a new approach to modeling this system, where we discretize the unit cell in order to derive an approximate analytical solution using a perturbation method, which we are then able to easily validate numerically. With these methods, we study the band structure in the system and the second harmonic generation originating from the nonlinearity. We qualitatively analyze the second harmonic response of the system in terms of the single-crack response with linear band structure considerations. Significant band structure manipulation by changing system parameters is demonstrated, including possible in-situ tuning. The system also exhibits effective frequency doubling, i.e. the transmitted wave is primarily comprised of the second harmonic wave, for a certain range of frequencies. We demonstrate very high robustness to disorder in the system, in terms of band structure and second harmonic generation. These results have possible applications as frequency-converting devices, tunable engineered materials, and in non-destructive evaluation.
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