Voortplanting van spanningsgolven door korrelig, of korrelig, materialen is belangrijk voor het detecteren van de omvang van aardbevingen, het lokaliseren van olie- en gasreservoirs, het ontwerpen van akoestische isolatie en het ontwerpen van materialen voor het verdichten van poeders.

Een team van onderzoekers onder leiding van een Johns Hopkins-professor werktuigbouwkunde gebruikte röntgenmetingen en -analyses om aan te tonen dat snelheidsschaling en dispersie in golftransmissie gebaseerd is op deeltjesrangschikkingen en krachtketens daartussen, terwijl vermindering van de golfintensiteit voornamelijk wordt veroorzaakt door alleen deeltjesarrangementen. Het onderzoek verschijnt in de 29 juni-editie van het tijdschrift the Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Onze studie geeft een beter begrip van hoe de fijnstructuur van een korrelig materiaal verband houdt met het gedrag van golven die zich erdoorheen voortplanten, " zei Ryan Hurley, assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Johns Hopkins Whiting School of Engineering. "Deze kennis is van fundamenteel belang bij de studie van seismische signalen van aardverschuivingen en aardbevingen, in de niet-destructieve evaluatie van bodems in de civiele techniek, en bij de fabricage van materialen met gewenste golfeigenschappen in de materiaalkunde."

Hurley bedacht dit onderzoek terwijl een postdoc bij het Lawrence Livermore National Laboratory, samen te werken met een team waaronder LLNL-natuurkundige Eric Herbold. De experimenten en analyse werden later uitgevoerd door Hurley en Whiting School postdoc Chongpu Zhai nadat Hurley naar JHU was verhuisd, met experimentele hulp en voortdurende besprekingen met Herbold.

Structuur-eigenschap relaties van korrelige materialen worden bepaald door de rangschikking van deeltjes en de ketens van krachten daartussen. Deze relaties maken het ontwerpen van golfdempende materialen en niet-destructieve testtechnologieën mogelijk. Golftransmissie in korrelige materialen is uitgebreid bestudeerd en vertoont unieke eigenschappen:macht-wet snelheidsschaling, dispersie en verzwakking (de vermindering van de amplitude van een signaal, elektrische stroom, of andere oscillatie).

Eerder onderzoek, daterend uit de late jaren 1950 beschreef "wat" er kan gebeuren met de materiële onderliggende golfvoortplanting, maar het nieuwe onderzoek levert bewijs voor 'waarom'.

"Het nieuwe experimentele aspect van dit werk is het gebruik van in-situ röntgenmetingen om de verpakkingsstructuur te verkrijgen, deeltjesspanning en krachten tussen deeltjes door een korrelig materiaal tijdens de gelijktijdige meting van ultrasone transmissie, "zei Hurley. "Deze metingen zijn de meest betrouwbare dataset tot nu toe bij het onderzoeken van echografie, krachten en structuur in korrelige materialen."

"Deze experimenten, samen met de ondersteunende simulaties, stellen ons in staat om te onthullen waarom golfsnelheden in korrelige materialen veranderen als een functie van druk en om de effecten van bepaalde verschijnselen op deeltjesschaal op macroscopisch golfgedrag te kwantificeren, " zei Zhai, die de inspanningen voor gegevensanalyse leidde en de eerste auteur van dat artikel was.

Het onderzoek biedt nieuw inzicht in tijd- en frequentiedomeinkenmerken van golfvoortplanting in willekeurig verpakte korrelige materialen, licht werpen op de fundamentele mechanismen die golfsnelheden beheersen, verspreiding en demping in deze systemen.