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Design of arbitrarily shaped acoustic cloaks through partial differential equation-constrained optimization satisfying sonic-metamaterial design requirements
No full textWe develop an optimization framework for the design of acoustic cloaks, with the aim of overcoming the limitations of usual transformation-based cloaks in terms of microstructure complexity and shape arbitrarity of the obstacle. This is achieved by recasting the acoustic cloaking design as a nonlinear optimal control problem constrained by a linear elliptic partial differential equation. In this setting, isotropic material properties’ distributions realizing the cloak take the form of control functions and a system of the first-order optimality conditions is derived accordingly. Such isotropic media can then be obtained in practice with simple hexagonal lattices of inclusions in water. For this reason, the optimization problem is directly formulated to consider suitable partitions of the control domain. Two types of inclusions are analysed, and long-wavelength homogenization is used to define the feasible set of material properties that is employed as a constraint in the optimization problem. In this manner, we link the stage of material properties optimization with that of microstructure design, aiming at finding the optimal implementable solution. The resulting cloak is numerically tested via coupled structural/acoustic simulations. As a further test benchmark, a concave target and the silhouette of a ship are considered other than the usual axisymmetric cloak
Isospectral open cavities and gratings
Get PDFOpen cavities are often an essential component in the design of ultra-thin
subwavelength metasurfaces and a typical requirement is that cavities have
precise, often low frequency, resonances whilst simultaneously being physically
compact. To aid this design challenge we develop a methodology to allow
isospectral twinning of reference cavities with either smaller or larger ones,
enforcing their spectra to coincide so that open resonators are identical in
terms of their complex eigenfrequencies. For open systems the spectrum is not
purely discrete and real, and we pay special attention to the accurate twinning
of leaky modes associated with complex valued eigenfrequencies with an
imaginary part orders of magnitude lower than the real part. We further
consider twinning of 2D gratings, and model these with Floquet-Bloch conditions
along one direction and perfectly matched layers in the other one; complex
eigenfrequencies of special interest are located in the vicinity of the
positive real line and further depend upon the Bloch wavenumber. The
isospectral behaviour is illustrated, and quantified, throughout by numerical
simulation using finite element analysis
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Get PDFThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Variations on the Author
Get PDF“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Get PDFWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Acoustic cloak design through microstructure PDE-constrained optimization
No full textLAUREA MAGISTRALEI fenomeni acustici nei fluidi sono descritti dall'equazione delle onde di Helmholtz, un'Equazione alle Derivate Parziali (EDP) a valori complessi; in particolare, l'equazione di Helmholtz per fluidi disomogenei è essenziale per lo studio di un mantello acustico: un dispositivo che preclude la localizzazione di un oggetto tramite sonar modificando le proprietà del fluido che circondano l'oggetto stesso, cioè densità di massa e modulo di comprimibilità. Definire i valori che tali proprietà devono assumere è un problema complesso perché soluzioni analitiche esistono solo in caso di geometrie semplici e perché tipicamente sono richiesti materiali di difficile realizzazione.
Lo scopo di questa tesi è quello di introdurre una tecnica innovativa per la progettazione di mantelli acustici fatti da metamateriali attraverso la soluzione di un Problema di Controllo Ottimo (PCO) vincolato da una EDP. In particolare, il problema di design del mantello è stato risolto per qualunque forma dell'oggetto e onda di pressione incidente. Inoltre, diversi vincoli di realizzazione sono stati presi in considerazione per mantenere l'ottimalità della soluzione anche quando il mantello viene prodotto; infatti, la natura discreta del metamateriale è stata codificata nel PCO stesso.
Un altro problema comune per il design di un mantello viene dal fatto che un metamateriale riproduce un insieme limitato di proprietà. Per questo motivo, tale insieme è derivato studiando una nuova famiglia parametrica di celle unitarie applicando la teoria di Floquet-Bloch. Quindi, si sono aggiunti vincoli ad hoc al PCO per imporre che le proprietà del mantello appartengano a quell'insieme.
A questi propostiti, si è risolto il PCO infinito-dimensionale usando il metodo formale dei moltiplicatori di Lagrange che permette di calcolare il gradiente esatto del funzionale costo. In questo modo, il problema di ottimo è risolto applicando un algoritmo basato sul metodo del gradiente; in particolare, è stato scritto un codice Matlab agli Elementi Finiti utilizzando la libreria redbKIT. Infine, l'intera microstruttura del mantello è stata definita e verificata attraverso il software COMSOL Multiphysics.Acoustic phenomena in fluids are governed by the Helmholtz wave equation, which is a complex-valued Partial Differential Equation (PDE); in particular, the Helmholtz equation for inhomogeneous fluids is essential for designing an acoustic cloak: a device that preclude sonar localization of an object by modifying the surrounding fluid properties, i.e. mass density and bulk modulus. The problem of defining the values of such properties is a complex task because on one hand analytical solutions exist for simple geometries only; on the other hand, they usually require materials that are difficult to realize.
The purpose of this thesis is to introduce a novel technique for designing acoustic cloaks made of metamaterials through the solution of a PDE-constrained Optimal Control Problem (OCP). In particular, in this work a solution for the cloaking problem regardless of the obstacle shape and the incident pressure wave is found by means of an optimization method. Moreover, realization constraints are taken into account for maintaining the solution optimality even when the cloak is manufactured. In fact, the discrete metamaterial nature is encoded in the OCP itself; in this way, a discrete problem is solved and no approximation is needed for the cloak realization.
Another common problem when designing a cloak comes from the fact that a metamaterial achieves a limited set of properties. Hence, such a feasible set is derived by studying a novel parametric family of unit cells using the Floquet-Bloch theory. Then, ad hoc constraints are added to the OCP for imposing that the cloak properties belong to that feasible set.
In these regards, the infinite dimensional OCP is solved using the formal Lagrangian method that permits to compute the exact gradient of the cost functional. In such a way, the optimum problem is solved using a gradient-based algorithm; in particular, a Finite Element Method is written in Matlab using the redbKIT library. Finally, the complete cloak microstructure is defined and verified using the software COMSOL Multiphysics
Metamaterials for underwater acoustics : a path to three dimensional cloaking
No full textDOTTORATOIl concetto di cloaking (dall'inglese cloak, mantello), introdotto nei primi anni 2000, rappresenta una sfida profonda al controllo della propagazione delle onde. Col termine cloaking ci si riferisce alla pratica di dirigere le onde utilizzate da tecniche di localizzazione intorno a un oggetto al fine di renderlo inosservabile ed è stato oggetto di ricerca in vari campi negli ultimi due decenni.
Tuttavia, l'implementazione pratica del cloaking rimane in gran parte inesplorata, soprattutto nel campo dell'acustica subacquea, dove il controllo della propagazione del suono è fondamentale a causa dell'elevato assorbimento delle onde elettromagnetiche.
La progettazione di un mantello acustico può essere affrontata utilizzando l'Acustica di Trasformazione (AT), la progettazione inversa o una combinazione di entrambe. Il metodo tradizionale è l'AT che, tramite una trasformazione di coordinate, definisce la distribuzione delle proprietà dei materiali che garantiscono un occultamento perfetto. Tuttavia, le sfide pratiche sorgono nell'implementazione fisica di queste proprietà, in particolare nel raggiungere l'inerzia o l'elasticità anisotropa richieste. Al contrario, la progettazione inversa consente di ottimizzare le proprietà macroscopiche dei materiali entro i limiti dei materiali disponibili, anche se in genere si ottengono dispositivi a banda stretta e direzionali.
La prima strategia sviluppata per questo l'occultamento acustico si basa su proprietà inerziali anisotrope per manipolare le onde sonore. Pur essendo stata dimostrata in esperimenti sia in 2D che in 3D, questa strategia presenta limitazioni intrinseche. Uno degli inconvenienti principali è la cosiddetta catastrofe inerziale, cioè che teoricamente è necessaria una massa infinita per ottenere un occultamento perfetto.
Per superare queste sfide, l'attenzione si è spostata dai mantelli inerziali a quelli pentamodali (PM). I materiali PM offrono un'alternativa promettente grazie alla loro capacità di imitare le proprietà acustiche dei fluidi pur essendo strutture solide.
Tuttavia, gli studi sui mantelli a base di PM si sono limitati principalmente al 2D, a causa della complessità della progettazione e della produzione di PM 3D.
Questa tesi intraprende un viaggio verso la progettazione di un mantello PM 3D e culmina in un prototipo virtuale che considera vincoli macroscopici e microstrutturali.
Nella prima parte, ci concentriamo sui metodi di progettazione inversa per i cristalli fonici 2D subacquei, dove le proprietà macroscopiche del materiale sono definite attraverso un problema di controllo ottimo che affronta i vincoli microscopici. In questo modo sono stati definiti dispositivi di occultamento e di imaging, le cui prestazioni sono validate attraverso simulazioni numeriche.
Nella seconda parte della tesi, sfruttiamo i principi dell'AT per progettare occultamenti inerziali e PM. In primis, applichiamo l'AT al problemi agli autovalori di cavità aperte e presentiamo un metodo per progettare metasuperfici sottili. Poi sviluppiamo un mantello acustico 3D ed esploriamo i suoi limiti pratici, prestando particolare attenzione alla progettazione microstrutturale dei PM 3D per garantirne l'efficacia nelle applicazioni reali, comprese le complesse deformazioni necessarie per il rivestimento di oggetti 3D.
Nel corso della tesi si progettano vari metamateriali simili a liquidi utilizzando intuizioni basate su modelli e tecniche moderne, come le reti neurali e l'ottimizzazione topologica.
Di particolare rilievo è la progettazione di un metamateriale che si comporta come l'acqua nel regime quasi statico della microstruttura.
Si ritiene che siano stati raggiunti progressi significativi per la tecnologia di occultamento sottomarino, ma le stesse scoperte aprono la strada ad applicazioni più ampie nella manipolazione delle onde, come lenti, concentratori, guide d'onda.The concept of cloaking, first introduced in the early 2000s, represents a profound challenge to wave propagation control. Cloaking, which refers to the practice of directing a probing wave around an object to make it undetectable, has been the subject of research in various fields over the past two decades.
However, the practical implementation of cloaking remains largely unexplored, especially in the field of underwater acoustics.
The design of an acoustic cloak can be approached using transformation acoustics (TA), inverse design or a combination of the two. The traditional method is TA, which uses coordinate transformations to define a distribution of material properties that allow a strong concealment.
However, practical challenges arise in the physical implementation of these properties, particularly in achieving the required anisotropic inertia or elasticity. Conversely, inverse design allows macroscopic material properties to be optimised within the constraints of available materials, although it typically results in narrowband and directional devices.
Typically, acoustic cloaking relies on anisotropic inertial properties to manipulate sound waves. While this technique has been demonstrated in both 2D and 3D experiments, it has inherent limitations. A major drawback is the so-called inertial catastrophe, meaning that theoretically an infinite mass is required to achieve the perfect cloaking effect.
To overcome these challenges, the focus has shifted from inertial to pentamode (PM) cloaks. PM materials offer a promising alternative due to their ability to mimic the acoustic properties of fluids while being solid structures.
Nevertheless, studies investigating PM cloaks have primarily been restricted to 2D, due to the complexities of designing and manufacturing 3D PM materials.
This thesis embarks on a journey towards the design of a 3D PM cloak, and culminates in a virtual prototype that considers both macroscopic and microstructural constraints.
In the first part, we focus on inverse design methods for underwater 2D phononic crystals, where the macroscopic material properties are defined through an optimal control problem that addresses microscopic constraints. In this way, we design concealment and imaging devices that are validated through numerical simulations of their entire microstructure.
In the second part of the thesis, we leverage the principles of TA to design both inertial and PM cloaks. In primis, we apply TA to eigenvalue problems of open cavities and present a method for designing thin metasurfaces. Then, we develop a 3D PM acoustic cloak and explore its practical limitations, paying special attention to the microstructural design to ensure its effectiveness in real-world applications, including the complex deformations necessary for covering 3D objects.
Throughout the thesis we design various liquid-like metamaterials using model-based intuition and modern techniques such as neural networks and topology optimisation. Of particular interest is the design of a metamaterial that behaves like water in the long wavelength regime.
Significant advances in cloaking have been developed that are applicable to broader wave manipulation applications such as lenses, concentrators and waveguides.DIPARTIMENTO DI MECCANICAAdvanced Materials and Smart Structures37MATTA, ANDREABERNASCONI, ANDRE
PDE-constrained optimization to mitigate water waves induced motion of floating structures
No full textLAUREA MAGISTRALEIl moto dei fluidi è governato dalle ben note equazioni di Navier-Stokes, che sono equazioni alle derivate parziali non lineari (EDP). Sebbene questo insieme di equazioni fornisca una struttura analitica assai versatile, la loro soluzione è molto difficile in generale perché richiede un'elevata potenza di calcolo.
Fortunatamente, la dinamica delle onde oceaniche può essere descritta assumendo un flusso irrotazionale e la EDP si riduce a un'equazione di Laplace, che è un'EDP ellittica del secondo ordine.
Una volta fornito di opportune condizioni al contorno, il problema risulta essere lineare rispetto allo stato e alla pressione agente sulla superficie libera.
Una tale pressione è di solito la conseguenza del vento che, soffiando su vaste aree oceaniche, produce onde coerenti che possono propagarsi per lunghe distanze.
L'idea principale di questo lavoro è quella di considerare il campo di pressione come un'azione di controllo che, mediante un'opportuna regolazione, può dirigere le onde dell'acqua e schermare la struttura galleggiante. In questo modo, il controllo è il termine sorgente di un problema al controno e si ottiene riformulando il problema di controllo come uno di ottimizzazione. In particolare, definiamo una funzione di costo che pondera lo sforzo di controllo e i sei gradi di movimento dell'oggetto galleggiante.
A differenza del vento, nessun controllo artificiale può contare su superfici relativamente grandi, quindi il problema analitico dove essere fornito da alcuni strumenti che promuovano la cosiddetta sparsità del controllo.
La soluzione che adottiamo è quella di aggiungere un peso al funzionale di costo che abbia l'effetto desiderato se opportunamente regolato.
Lo svantaggio principale di questa tecnica è che cambia il problema originale di ottimizzazione lineare-quadratica in uno non lineare e non differenziabile. Per questo motivo la soluzione viene calcolata numericamente mediante un approccio iterativo e vengono adottati particolari accorgimenti per la gestione della parte non differenziabile.
Dopo la scelta degli algoritmi adatti, il metodo viene testato utilizzando un modello semplificato di galleggiante. I risultati dimostrano che è possibile selezionare la regione di controllo ottimale e ridurne l'estensione come desiderato, modificando i pesi nella dichiarazione di ottimizzazione.
Riducendo i possibili galleggianti a una famiglia che tiene conto di pochi parametri adimensionali, si è testata l'efficacia dell'algoritmo su un insieme di problemi esemplificativi e si è dimostrato che questa strategia di controllo può simultaneamente ridurre l'oscillazione del galleggiante e agire su una regione limitata che lo circonda.
Infine, testiamo numericamente la strategia di controllo sul modello di galleggiante VolturnUS per una turbina eolica come riferimento per un struttura reale.The solution we adopt is to add a weight to the cost functional that has the desired effect if properly tuned.
The main drawback of this technique is that it changes the original linear-quadratic optimization problem into a non-linear non-differentiable one. For this reason, the solution is computed numerically by means of an iterative approach and particular ruses are adopted for handling the non-differentiable part.
After the choice of suitable algorithms, the method is tested using a simplified model of floaters. The results demonstrates that it is possible to select the optimal control region and reduce its extension as desired by modifying the weights in the optimization statement.
By reducing the possible floaters to a family of non-dimensional scenarios, we test the effectiveness of our algorithm on a set of dummy problems and we show that this control strategy can simultaneously reduce the oscillation of the floater and act on a limited region surrounding the floater.
Finally, we numerically test the control strategy on the VolturnUS standard floating wind turbine as a reference of a real structure
Dispelling the Myths Behind First-author Citation Counts
Get PDFWe conducted a full-scale evaluative citation analysis study of scholars in the XML research field to explore just how different from each other author rankings resulting from different citation counting methods actually are, and to demonstrate the capability of emerging data and tools on the Web in supporting more realistic citation counting methods. Our results contest some common arguments for the continued
use of first-author citation counts in the evaluation of scholars, such as high correlations between author rankings by first-author citation counts and other citation
counting methods, and high costs of using more realistic citation counting methods that are not well-supported by the ISI databases. It is argued that increasingly available digital full text research papers make it possible for citation analysis studies to go beyond what the ISI databases have directly supported and to employ more
sophisticated methods
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