Van de koptelefoon die we gebruiken om naar onze favoriete nummers of podcasts te luisteren, tot sonische camouflage gebruikt door onderzeeërs, hoe we geluid overbrengen en ervaren, is een essentieel onderdeel van hoe we omgaan met onze omringende wereld. Akoestische metamaterialen zijn materialen die zijn ontworpen om te controleren, regisseer en manipuleer geluidsgolven terwijl ze door verschillende media gaan. Als zodanig, ze kunnen worden ontworpen en in een structuur worden geplaatst om geluid te dempen of door te geven.

Het probleem is, traditionele akoestische metamaterialen hebben complexe geometrieën. Vaak gemaakt van metaal of hard plastic, als ze eenmaal zijn gemaakt, ze kunnen niet worden gewijzigd. Neem bijvoorbeeld, een akoestisch apparaat dat is gebouwd om uitgaand geluid in een onderzeeër te dempen, zodat het stealthiness kan bereiken. Als zich een andere situatie voordoet, bijvoorbeeld een bondgenoot die de onderzeeër wilde communiceren met passeert voorbij, hetzelfde akoestische apparaat zou het niet mogelijk maken om geluid van buitenaf te verzenden.

Een team van USC-onderzoekers, geleid door Qiming Wang, assistent-professor aan de Sonny Astani-afdeling Civiele en Milieutechniek, creëerde een nieuw slim materiaal dat op verzoek verschuivingen in akoestische transmissie mogelijk maakt. "Met traditionele akoestische metamaterialen, je creëert één structuur en je bereikt één eigenschap. Met dit nieuwe slimme materiaal, we kunnen meerdere eigenschappen realiseren met slechts één structuur, " zei Wang. Bij het bestuderen van dit nieuwe materiaal, Wang en zijn team ontdekten dat hun slimme materiaal eigenschappen kon herscheppen die inherent zijn aan elektronische apparaten zoals schakelaars, daarmee de belofte van slimme geluidsoverdracht tonen - een degelijke 'computer'.

Wang en zijn team, inclusief USC Viterbi Ph.D. kandidaten Kyung Hoon Lee, Kunhao Yu, Een Xin en Zhangzhengrong Feng, en postdoctoraal geleerde Hasan Al Ba'ba'a, gedetailleerd hun bevindingen in hun paper "Sharkskin-Inspired Magnetoactive Reconfigurable Acoustic Metamaterials, " onlangs gepubliceerd in Onderzoek . Geïnspireerd door de dubbele eigenschappen gecreëerd door de dermale denticles op het oppervlak van de huid van een haai, het team creëerde een nieuw akoestisch metamateriaal dat magnetogevoelige nanodeeltjes bevat die zullen buigen onder de kracht van magnetische stimuli. Deze magnetische kracht kan de structuur op afstand en on-demand veranderen, rekening houdend met verschillende transmissievoorwaarden.

Meerdere akoestische eigenschappen moduleren in één apparaat

Het akoestische metamateriaal dat door de onderzoekers is gemaakt, is gemaakt van rubber en een mix van ijzeren nanodeeltjes. Het rubber biedt flexibiliteit, waardoor de materialen omkeerbaar en herhaaldelijk kunnen buigen en buigen, terwijl het ijzer ervoor zorgt dat het materiaal reageert op het magnetische veld.

Om de structuren te laten reageren op akoestische input, Wang en zijn team moesten de materialen zo assembleren dat de resonantie tussen hen - Mie-resonantie - veranderingen in akoestische transmissie mogelijk maakte - ofwel een akoestische invoer blokkeren of geleiden. Als de pijlers dichter bij elkaar staan, de akoestische golf wordt effectief ingesloten en wordt voorkomen dat deze zich naar de andere kant van de constructie voortplant. Omgekeerd, als de pijlers verder uit elkaar staan, de akoestische golf zal er gemakkelijk doorheen gaan. "We gebruiken het externe magnetische veld om de pilaar te buigen en de pilaar los te maken om dit soort toestandswisselingen te bereiken, ", zei de hoofdauteur Lee. Het resultaat is een verschuiving van een positie die akoestische transmissie blokkeert naar een positie die de akoestische golven effectief geleidt. In tegenstelling tot traditionele akoestische metamaterialen, er is geen direct contact of druk nodig om de architectuur van de materialen te veranderen.

Een degelijke "computer"

Wang en zijn team konden demonstreren hoe hun slimme materiaal drie belangrijke elektronische apparaten kon nabootsen:een schakelaar, een logische poort, en een diode. De interactie van de magnetogevoelige materialen met het magnetische veld manipuleert de akoestische transmissie op zo'n manier dat functies als een elektrisch circuit worden gecreëerd.

Om dit beter te begrijpen, laten we eens kijken hoe elk van deze drie elektronische apparaten werkt.

Met een schakelaar kan een kanaal worden in- en uitgeschakeld, bijvoorbeeld, in hoofdtelefoons met ruisonderdrukking. In dit voorbeeld, met behulp van een structuur gebouwd van het slimme akoestische metamateriaal, je kunt het magnetische veld zo afstemmen dat de Mie-resonatorpilaren buigen en externe ruis doorlaten. In een ander geval, je kunt het magnetische veld uitschakelen en de pilaren blijven verticaal, het blokkeren van externe ruis om door te komen, zei Wang.

Een logische poort bouwt voort op dit idee, door besluitvorming op gang te brengen op basis van stimuli die binnenkomen via verschillende invoerkanalen. In het geval van een onderzeeër, misschien wilt u dat het akoestische apparaat meerdere omstandigheden moduleert, in plaats van een enkelvoud:aanval wanneer het één zwak signaal en één sterk signaal ontvangt, maar vlucht wanneer het twee sterke signalen ontvangt. Om ervoor te zorgen dat meerdere scenario's deel kunnen uitmaken van de besluitvorming, je zou traditioneel meerdere apparaten nodig hebben, elk ontworpen voor een ander scenario. Een AND-poortoperator beschrijft een akoestisch apparaat dat alleen een bepaalde respons zou veroorzaken als de ingangskanalen beide sterk zijn. Een OK-poortoperator beschrijft een akoestisch apparaat dat een bepaalde beslissing zou activeren wanneer een van de twee signalen sterk is. Met traditionele akoestische metamaterialen, u kunt slechts één operator maken en dus op slechts één voorwaarde reageren. Met het nieuwe slimme akoestische metamateriaal ontwikkeld door de onderzoekers, Wang zegt dat je op aanvraag kunt overschakelen van een EN-poort naar een OF-poortaandrijving. In het geval van de onderzeeër dat betekent het gebruik van het magnetische veld, je zou de omstandigheden kunnen veranderen waarvoor een aanvalscommando wordt geactiveerd zonder een nieuw akoestisch apparaat te bouwen.

Eindelijk, er is een diode. Een diode is een apparaat waarin de akoestische intensiteit in de ene richting hoog is en in de andere laag, dus biedt het eenrichtingstransport van de akoestische golf. Met traditionele akoestische metamaterialen kunt u dit doen, maar nogmaals, je kunt niet van status veranderen. Met behulp van het nieuwe slimme akoestische metamateriaal, je kunt veranderen van een diodetoestand naar een geleidertoestand, die transmissie in beide richtingen mogelijk maakt, in plaats van slechts één richting. Dit speelt een rol in het voorbeeld van sonische camouflage in de onderzeeër, waarbij u soms wilt dat het akoestische apparaat het geluid slechts in één richting laat reizen en andere keren, je wilt dat het in beide richtingen overdraagbaar is.

"Zo'n verandering is nog nooit bereikt door traditionele akoestische metamaterialen, ' zei Wang.

Volgende stappen

Direct, Wang en zijn team hebben hun materiaal in de lucht getest. Volgende, ze hopen dezelfde eigenschappen onder water te testen, om te zien of ze dezelfde kenmerken kunnen bereiken op een ultrasoon bereik.

"Rubber is hydrofoob, zodat de structuur niet verandert, maar we moeten testen of de materialen nog steeds afstembaar zijn onder een extern magnetisch veld, "Wan zei, opmerken dat het water meer weerstand zal hebben en dus meer wrijving aan de situatie zal toevoegen.