In een pilotstudie is onderzoekers van North Carolina State University en Haverford College hebben natuurlijke akoestische trillingen - of geluidsgolven - gebruikt om de toestand van korrelige materialen te controleren. Deze passieve benadering vertegenwoordigt een manier om ongeordende of korrelige materialen te onderzoeken zonder ze te verstoren, en kunnen onderzoekers in staat stellen het falen van deze materialen te voorspellen.

korrelige materialen, als de grond onder ons, kunnen falen door spontane gebeurtenissen zoals aardbevingen. Maar het is moeilijk om deze materialen te onderzoeken of te meten om falen te voorspellen. Haverford College-fysicus en voormalig postdoctoraal onderzoeker van de NC State, Ted Brzinski en NC State-fysicus Karen Daniels besloten om de geluidsgolven die uit het materiaal komen te onderzoeken om de verschillende vibratiemodi van het materiaal te karakteriseren.

Trillingsmodi zijn de manieren waarop iets kan oscilleren, of intern verhuizen. Een klein molecuul kan maar op een paar manieren oscilleren, bijvoorbeeld, maar grotere objecten hebben meer modi, die worden beïnvloed door zowel de locaties als de massa's van de componenten. In een ongeordend of amorf systeem van korrelige materialen, zoals vuil of grind, het aantal modi wordt al snel te groot om direct te voorspellen of te meten.

Echter, elke modus heeft een bepaalde akoestische frequentie die ermee verbonden is. De benadering van Brzinski en Daniels meet de frequenties van de actieve trillingsmodi in het materiaal, waardoor ze een akoestische momentopname krijgen van de algehele 'gezondheid' van het materiaal.

Om hun techniek te testen, creëerden ze een granulair systeem bestaande uit 8, 000 ronde en elliptische polymeerkralen. Ze registreerden de akoestische emissies van meer dan 1, 100 stick-slip-gebeurtenissen - wat er gebeurt wanneer tektonische platen langs elkaar glijden bij een aardbeving - en classificeerden de frequenties die aanwezig zijn in akoestische signalen die verband houden met dreigend falen.

"Lagere frequenties worden geassocieerd met 'floppy'-modi, wat betekent dat er veel meer beweging is, terwijl hogere frequenties worden geassocieerd met stijve of rigide modi, " zegt Brzinski. "Wat mensen in modelsystemen hebben gezien, is dat je meer floppy-modi hebt dan verwacht, hoe dichter je bij het verliezen van stijfheid bent. De slip treedt op wanneer de stijfheid verloren gaat. Onze tests bevestigden deze resultaten van het modelsysteem:storingen deden zich voor toen er meer laagfrequente modi waren dan verwacht."

"Maar het is niet alleen luisteren om te zien welke geluidsfrequenties aanwezig zijn; we moeten kijken naar de proportie van modi, " zegt Daniels. "We weten dat materialen die bijna falen, veel laagfrequente modi hebben. Onze methode telt de aantallen van bepaalde soorten modi om falen te voorspellen. Het mooie van de techniek is dat je het systeem zonder enige interferentie kunt monitoren - gewoon door te luisteren. De methode is vrij eenvoudig, en het kan ons het gedrag van ongeordende materialen laten voorspellen."

Het onderzoek verschijnt in Fysieke beoordelingsbrieven .