Stressvågspridning genom kornig, eller granulat, material är viktigt för att upptäcka storleken på jordbävningar, lokalisering av olje- och gasreservoarer, utforma akustisk isolering och designa material för komprimering av pulver.

Ett team av forskare under ledning av en professor i maskinteknik i Johns Hopkins använde röntgenmätningar och analyser för att visa att hastighetsskalning och spridning i vågöverföring är baserad på partikelarrangemang och kraftkedjor mellan dem, medan minskning av vågintensiteten främst orsakas av partikelarrangemang enbart. Forskningen visas i den 29 juni upplagan av tidskriften Förfaranden från National Academy of Sciences .

"Vår studie ger en bättre förståelse för hur den finskaliga strukturen hos ett granulärt material är relaterat till beteendet hos vågor som sprider sig genom dem, "sa Ryan Hurley, biträdande professor i maskinteknik vid Johns Hopkins Whiting School of Engineering. "Denna kunskap är av grundläggande betydelse vid studier av seismiska signaler från jordskred och jordbävningar, i den icke -destruktiva utvärderingen av mark inom anläggningsteknik, och vid tillverkning av material med önskade vågegenskaper inom materialvetenskap. "

Hurley tänkt på denna forskning medan en postdoc vid Lawrence Livermore National Laboratory, samarbetar med ett team som inkluderade LLNL -fysikern Eric Herbold. Experimenten och analysen utfördes senare av Hurley och Whiting School postdoc Chongpu Zhai efter Hurley flyttade till JHU, med experimentellt bistånd och fortsatta diskussioner med Herbold.

Struktur-egendomsförhållanden för granulära material styrs av arrangemanget av partiklar och krafterna mellan dem. Dessa relationer möjliggör design av vågdämpande material och icke-destruktiv testteknik. Vågöverföring i granulära material har studerats omfattande och visar unika egenskaper:power-law hastighetsskalning, dispersion och dämpning (minskning av amplituden för en signal, elektrisk ström, eller annan svängning).

Tidigare forskning, från slutet av 1950 -talet beskrivs "vad" som kan hända med materialet som ligger till grund för vågutbredning, men den nya forskningen ger bevis för "varför".

"Den nya experimentella aspekten av detta arbete är användningen av in-situ röntgenmätningar för att erhålla förpackningsstruktur, partikelspänning och interpartikelkrafter genom ett granulärt material under samtidig mätning av ultraljudsöverföring, "sa Hurley." Dessa mätningar är den högsta trovärdighetsdataset som hittills undersöker ultraljud, krafter och struktur i granulära material. "

"Dessa experiment, tillsammans med de stödjande simuleringarna, låt oss avslöja varför våghastigheter i granulära material förändras som en funktion av tryck och att kvantifiera effekterna av särskilda partikelskalfenomen på makroskopiskt vågbeteende, "sade Zhai, som ledde dataanalysarbetet och var tidningens första författare.

Forskningen ger ny inblick i tids- och frekvensdomänfunktioner för vågutbredning i slumpmässigt packade korniga material, belyser de grundläggande mekanismerna som styr våghastigheter, spridning och dämpning i dessa system.