In this paper, the physics of horizontally polarized shear waves traveling across a locally resonant metasurface in an unconsolidated granular medium is experimentally and numerically explored. The metasurface is comprised of an arrangement of subwavelength horizontal mechanical resonators embedded in a granular layer made of silica microbeads. The metasurface supports a frequency-tailorable attenuation zone induced by the translational mode of the resonators. The experimental and numerical findings reveal that the metasurface not only backscatters part of the energy but also redirects the wave front underneath the resonators, leading to a considerable amplitude attenuation at the surface level, when all the resonators have similar resonant frequency. A more complex picture emerges when using resonators arranged in a so-called graded design, e.g., with a resonant frequency increasing or decreasing throughout the metasurface. Unlike the mechanism observed in a bilayered medium, shear waves localized at the surface of the granular material are not converted into bulk waves. Although a detachment from the surface occurs, the depth-dependent velocity profile of the granular medium prevents the mode conversion and the horizontally polarized shear wave front returns to the surface. The outcomes of our experimental and numerical studies allow for understanding the dynamics of wave propagation in resonant metamaterials embedded in vertically inhomogeneous soils and, therefore, may be valuable for improving the design of engineered devices for ground-vibration and seismic wave containment.

中文翻译：

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颗粒介质中剪切波的局部共振超表面

在本文中，通过实验和数值研究了在未固结的颗粒介质中横穿局部共振超表面的水平极化剪切波的物理性质。超表面由嵌入在由二氧化硅微珠制成的颗粒层中的亚波长水平机械谐振器的布置组成。超表面支撑由谐振器的平移模式引起的频率可定制的衰减区。实验和数值结果表明，当所有谐振器具有相似的谐振频率时，超颖表面不仅使部分能量反向散射，而且使波前重定向到谐振器下方，从而导致表面水平的相当大的幅度衰减。当使用所谓的渐变设计的谐振器时，会出现一个更复杂的图景。在整个超表面上谐振频率会增加或减少。与在双层介质中观察到的机理不同，位于粒状材料表面的剪切波不会转换为体波。尽管发生了与表面的分离，但是颗粒状介质的深度相关的速度分布阻止了模式转换，并且水平极化的剪切波前返回表面。我们的实验和数值研究结果使我们能够了解在垂直非均质土壤中嵌入的共振超材料中波传播的动力学，因此，对于改进地面振动和地震波抑制工程设备的设计可能是有价值的。与在双层介质中观察到的机理不同，位于颗粒材料表面的剪切波不会转换为体波。尽管发生了与表面的分离，但颗粒状介质的深度相关速度分布阻止了模式转换，并且水平极化的剪切波波前返回表面。我们的实验和数值研究结果使我们能够了解在垂直非均质土壤中嵌入的共振超材料中波传播的动力学，因此，对于改进地面振动和地震波抑制工程设备的设计可能是有价值的。与在双层介质中观察到的机理不同，位于颗粒材料表面的剪切波不会转换为体波。尽管发生了与表面的分离，但颗粒状介质的深度相关速度分布阻止了模式转换，并且水平极化的剪切波波前返回表面。我们的实验和数值研究结果使我们能够了解在垂直非均质土壤中嵌入的共振超材料中波传播的动力学，因此，对于改进地面振动和地震波抑制工程设备的设计可能是有价值的。颗粒介质的依赖深度的速度分布会阻止模式转换，并且水平极化的剪切波波前会返回到表面。我们的实验和数值研究结果使我们能够了解在垂直非均质土壤中嵌入的共振超材料中波传播的动力学，因此，对于改进地面振动和地震波抑制工程设备的设计可能是有价值的。颗粒介质的依赖深度的速度分布会阻止模式转换，并且水平极化的剪切波波前会返回到表面。我们的实验和数值研究结果使我们能够了解在垂直非均质土壤中嵌入的共振超材料中波传播的动力学，因此，对于改进地面振动和地震波抑制工程设备的设计可能是有价值的。