Ruimte-oprollende akoestische metamaterialen zijn statisch en vereisen handmatige herconfiguratie voor geluidsveldmodulatie. In een nieuw rapport gepubliceerd in Communicatiematerialen Christabel Choi en een team van wetenschappers op het gebied van informatica en techniek in het Verenigd Koninkrijk en Italië hebben een aanpak ontwikkeld voor actieve herconfiguratie met op zichzelf staande dynamiek voor eenheidscellen in de ruimte, bekend als dynamische metabricks.

De metabricks bevatten een bedienbare, magnetorheologische, elastomere flap, die als een schakelaar functioneerde en het uitgezonden ultrageluid direct regelde. De wetenschappers toonden de synergie aan tussen actieve en passieve herconfigureerbaarheid om multifunctionele metamaterialen te ontwikkelen met extra vrijheidsgraden, voor ontwerp en implementatie.

Slimme materialen

In het huidige tijdperk van slimme materialen zijn metamaterialen ontstaan ​​om technologieën voor geluidsmanipulatie te innoveren. Programma's voor herconfiguratie hebben onlangs akoestische metamaterialen onderzocht om complexe toepassingen voor golfvorming te verbeteren, waaronder akoestische levitatie, cloaking en holografische beeldvorming.

Onderzoekers kunnen op verzoek de fysieke vorm en samenstelling van een structuur strategisch reguleren om een ​​grotere functionele flexibiliteit en inzetbaarheid mogelijk te maken. Om real-time functionaliteit te bereiken, moduleerden de wetenschappers het geluidsveld bij activering door een doorlatend akoestisch metamateriaal te gebruiken als platform om de synergie tussen actieve en passieve herconfigureerbaarheid van een metasurface te onderzoeken om een ​​gewijzigde output te bereiken.

Ontwikkeling van metamaterialen van de volgende generatie

In dit werk toonden Choi en collega's aan dat een metasurface geen volledig dynamisch karakter vereiste om een ​​dynamische output te genereren. Conventioneel kan een actief metasurface worden gevormd uit een volledige reeks actief herconfigureerbare eenheidscellen met een hoge mate van elektronische en computationele complexiteit.

De wetenschappers combineerden statische en dynamische metabricks om hybride metabrickstapels binnen het metasurface te creëren. De onderzoekers faciliteerden de dynamische metabricks tot aan de randen van metasurfaces en regelden ze magnetisch om nauwkeurige geluidsmodulatie mogelijk te maken via simulaties en experimenten.

Geluidstechnici hebben tot nu toe alleen akoestische levitatie bereikt met statische metamaterialen. Het vermogen om echografie in realtime te moduleren heeft gevolgen voor een groot aantal domeinen, waaronder het oogsten van energie. Commerciële audiotoepassingen kunnen bijvoorbeeld metamaterialen gebruiken om een ​​smalle geluidsbundel op verzoek dynamisch naar specifieke locaties te sturen. Dit werk toont een methode om veelzijdige, afstembare, multifunctionele metamaterialen van de volgende generatie te ontwikkelen.

Het ontwerpen van de dynamische metabrick

De aanwezigheid van interne uitsteeksels van de zijwanden in een metabrick kan een labyrintpad creëren waar geluidsgolven doorheen kunnen reizen. Terwijl metabricks kunnen worden geschaald om op lagere frequenties te werken, kunnen de flappen worden ontworpen om te functioneren op een ultrasone frequentie in de lucht van 40 kHz; geschikt voor contactloze manipulatie en haptische feedback.

Door een magnetorheologisch elastomeer te gebruiken, vermeed het team conventionele scharnierachtige mechanismen vanwege de grote hoeveelheden bijbehorende wrijving, om een ​​maximale afbuighoek voor de metabrick te bereiken. Het actieve binaire flappen vergemakkelijkte het pad binnen de metabrick om een ​​aanpasbaar labyrint te vormen om akoestische golven in realtime over te dragen.

Een dynamische metabrick vervaardigen

Choi en collega's ontwikkelden een dynamische metabrick waarbij de externe componenten verwezen naar de metabrick-schaal, en interne componenten verwezen naar statische en dynamische flappen van verschillende lengtes. Het team ontwikkelde de metabrick-schaal samen met de statische en dynamische flappen via driedimensionale print- en vormmethoden.

Voor het gieten gebruikten de materiaalwetenschappers vlakke glasplaten, ontwikkeld met behulp van synthetische magnetische nanodeeltjes gemengd met Ecoflex en gegoten in 3D-geprinte mallen.

Ze plaatsten de mallen tijdens het uithardingsproces over een magneet en gebruikten een combinatie van wassen en weken bij verhoogde temperatuur om polymerisatieremmers te verwijderen. Het team heeft elke flap gevormd met een consistente dikte en een variatiecoëfficiënt.

Nadat ze de dynamische metabrick in elkaar hadden gezet, activeerden ze deze met een permanente magneet. Bij activering bewoog de klep zich snel richting de muur. In de aanwezigheid van het magnetische veld bleef de flap stevig en stabiel, terwijl de flap, wanneer hij niet met een magneet werd bediend, in zijn oorspronkelijke staat bleef.

Binaire ultrasone modulatie, metabricks en metasurfaces

Het team voerde simulaties en experimentele plots uit om te laten zien hoe gecombineerde activeringstoestanden de transmissie in een kleine dynamische array beïnvloedden; de resultaten kwamen goed overeen. Hoewel elke metabrick een specifieke faseverschuiving mogelijk maakte, vormden de fysiek gecombineerde metabricks in een metasurface een gecombineerde faseverschuiving als collectieve akoestische output.

De onderzoekers verkregen een gewenst uitgangsgeluidsveld door de fasewaarden vooraf te definiëren om het type metabrick te bepalen dat nodig is om de plaatsing ervan ten opzichte van elkaar te beoordelen.

Door een klein aantal lokaal aangestuurde dynamische metabricks op te nemen, zorgden ze ervoor dat een anders statisch mondiaal metasurface dynamisch functioneerde. In eerste instantie regelden ze de magnetische flap binnen de dynamische metabrick en beoordeelden vervolgens de metabricks binnen een metasurface via stapeling. Terwijl de statische stapels werden gevormd door het plaatsen van een statische metabrick bovenop een andere soortgelijke structuur, combineerden dynamische stapels de twee om een ​​verticale supercel te creëren.

Dynamische akoestische levitatie

Cho en collega's voerden drukmetingen uit door de metasurfaces in en uit te schakelen om real-time modulatie van het geluidsveld te visualiseren. Ze bedachten dubbele samengestelde gestapelde metasurfaces om de gefocusseerde bundels te demonstreren en te bevatten. Het evenwicht van de akoestische druk binnen deze omsluitingen zou de objecten in gebieden met lage akoestische druk kunnen beschadigen.

Voor experimentele validatie verplaatste het onderzoeksteam een ​​lichtgewicht polystyreenkraal tussen de twee compartimenten. Bij bediening daalde de kraal niet, wat aangeeft hoe de snelle geluidsveldmodulatie de akoestische levitatie kon handhaven.

Vooruitzichten

Op deze manier introduceerden Christabel Choi en zijn team dynamische metabricks als een paradigma voor het ontwerpen van dynamische akoestische metamaterialen die in de voorhoede van innovatie voor geluidsmanipulatietechnologieën zijn ontstaan. Materiaalwetenschappers hebben de niche intensief verkend om complexe toepassingen voor golfvorming te verbeteren, waaronder akoestische levitatie, cloaking, straalsturing en holografische beeldvorming.

Door een kleine, dynamische magnetische flap toe te voegen, transformeerden de wetenschappers een statische metabrick in een dynamische constructie, en combineerden ze de twee om meer dan één output te produceren als een dynamisch metasurface. De uitkomsten kunnen de weg vrijmaken voor meer geavanceerde ontwerpen.

Het team onderzocht de experimentele resultaten met een theoretisch model en via COMSOL Multiphysics-simulaties om hun uitstekende overeenkomst aan te tonen. Dergelijke actuatoren kunnen worden gefunctionaliseerd, van een patroon worden voorzien of worden gecoat om extra functionaliteiten voor vloeistofsystemen en kleppen te bieden. Deze interdisciplinaire benaderingen kunnen de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van de volgende generatie metamaterialen.

Meer informatie: Christabel Choi et al, Een magnetisch aangedreven dynamisch labyrintisch transmissief ultrasoon metamateriaal, Communicatiematerialen (2024). DOI:10.1038/s43246-023-00438-4

© 2024 Science X Netwerk