Wave manipulation has been widely employed in various industries and engineering fields. It encompasses techniques such as frequency filtering to conceal energy within specific frequency bands, wave guiding to induce energy along specific paths, and wave focusing for achieving energy harvesting and shock mitigation. Notably, wave focusing has found applications in ultrasound imaging, optical lens systems, acoustic navigation systems, and more, achieving concentration in sound, light, radio, and ultrasonic waves. From a mechanical engineering perspective, the concentration of stress waves has been utilized for energy harvesting and shock mitigation. In the fields of mechanical engineering and aerospace, the primary focus has been on nondestructive evaluation and energy harvesting using elastic waves. Research efforts have explored practical applications through methods such as wave filtering and guiding using metamaterials' Bragg effect, as well as refraction and concentration using phononic crystals. However, these methods often face challenges in terms of difficult fabrication, design complexity, and limited frequency ranges. Efforts have been made to simplify wave manipulation, one of which involves utilizing thickness variations in a flat plate. In thin plates, thickness variations induce variations in the refractive index within the region, enabling wave focusing and guiding. Previous studies have created wave focusing lenses using the global highest refractive index point (thinnest thickness) in the plate. However, this approach weakens the structural integrity of the thin plate and requires precise fabrication due to the extreme thinness. In this study, we aim to overcome these limitations by proposing a patch-form elastic wave focusing lens that can be attached to an extremely thin plate structure. By designing the patch area to have a local highest point, wave focusing is achieved even with a thicker thickness compared to the base plate. This design has been validated through analysis and experimentation. For the analysis, we have employed the numerical simulation methods, such as ray-tracing and finite element methods, and established 2-D auto stage scanning system for experimental analysis. As comparing the results, the wave focusing characteristics of the elastic wave refraction patch was investigated and validated. The proposed approach is advantageous as it can be applied to most plate structures (sandwich structures), offers a wide applicable frequency range, and does not introduce structural flaws.
파동 전파 제어는 다양한 산업 및 공학 분야서 널리 활용되어 왔다. 이는 특정 주파수 대역의 에너지를 차폐하기 위한 주파수 필터링, 특정 경로를 따라 에너지를 유도하기 위한 파동 유도, 에너지 수확 및 충격 완화를 위한 파동 집중과 같은 기술을 포함한다. 특히, 파동 집중은 초음파 영상, 광학 렌즈, 음향 네비게이션 시스템 등에서 소리, 빛, 라디오 및 초음파 형태의 파동의 집중을 유발하기 위해 사용되었다. 기계 공학 분야에서, 탄성파동의 집중은 에너지 수확 및 충격 완화에 활용되어왔다. 또한 기계항공우주 분야에서는 비파괴 검사와 탄성파를 이용한 에너지 수확에 주로 초점을 맞추어 왔다. 기존의 연구들은 메타물질의 브래그 효과를 이용한 파동 필터링 및 유도, 그리고 광학 결정구조를 이용한 굴절 및 집중과 같은 방법을 통해 실용적인 응용을 탐구하였다. 그러나 이러한 방법들은 제조의 어려움, 설계 복잡성 및 주파수 제한성과 같은 문제에 직면하였다. 파동 전파 제어를 단순화하기 위한 노력 중 하나로 매질의 두께 변화를 활용하는 방법이 있다. 얇은 판에서는 두께 변화가 해당 영역 내에서 굴절률 변화를 유도하여 파동 집중과 굴절이 가능하게 한다. 이전 연구에서는 전역에서 가장 굴절률이 높은 지점(가장 얇은 두께)을 활용하여 파동 집중 렌즈를 제작하였다. 그러나 해당 접근법은 얇은 판의 구조적 성능을 약화시키고 극도의 얇은 두께 때문에 정밀한 제조 기술이 요구된다. 본 연구에서는 이러한 제약을 극복하기 위해 극도로 얇은 판 구조에 부착할 수 있는 패치 형태의 탄성파 집중 렌즈를 제안한다. 패치 영역에 굴절률이 국소적으로 가장 높은 지점을 갖도록 설계하여, 기본 판보다 두꺼운 두께에서도 파동 집중이 이루어진다. 이 설계 기법은 수치적 분석과 실험을 통해 검증이 진행되었다. 수치적 해석을 위해 광선 추적 및 유한 요소 방법과 같은 수치적 시뮬레이션 기법을 사용하였고, 실험적 분석 및 검증을 위해 2차원 자동 스테이지 스캐닝 시스템을 구축하였다. 해당 결과들을 비교하여 탄성파 굴절 패치의 파동 집중 특성을 분석하고 검증하였다. 제안된 방식은 대부분의 판 구조(샌드위치 구조)에 적용 가능하며, 넓은 적용 주파수 범위를 제공하고 구조적 결함을 일으키지 않는 이점이 있다.
