De binnenkant van onderwaterleidingen en afgesloten nucleaire containers waren tot voor kort ontoegankelijk. Akoestiekonderzoekers van het Penn State College of Engineering hebben een manier ontwikkeld om energie en communicatie door metalen wanden te transporteren met behulp van ultrageluid.

Ze publiceerden hun innovatie, een op pilaren gebaseerd akoestisch metamateriaal dat werkt in het ultrasone frequentiebereik, in Physical Review Applied . Het werk zou volgens de onderzoekers implicaties kunnen hebben voor onderzoek in de ruimte.

"Als je een apparaat, zoals een temperatuursensor, van stroom wilt voorzien in een metalen behuizing zoals een pijp, kunnen ultrasone golven die energie naar het apparaat transporteren", zegt Yun Jing, hoogleraar akoestiek en biomedische technologie en corresponderend auteur op het papier. . "Maar voorheen konden de golven niet door metalen barrières gaan die het geluid zouden blokkeren, tenzij de transducers in direct contact stonden met de barrière."

De onderzoekers creëerden een op pilaren gebaseerd metamateriaal:een reeks kleine, cilindrische pilaren op een metalen plaat die werken als resonatoren, die trillen of oscilleren om akoestische resonantie te creëren.

Wanneer het metamateriaal zich tussen een transducerzender en een ontvanger bevindt, verbetert het op dramatische wijze de transmissiesnelheid van het ultrasone vermogen via een metalen barrière, zonder dat direct contact tussen transducers en de barrière nodig is. Voorheen konden zwakke ultrasone golven door metaal gaan, maar er ontbrak voldoende energie om een ​​sensor van stroom te voorzien of berichten door het metaal te laten gaan.

"Met een smal uiteinde en een breder uiteinde als een pilaar, is het akoestische metamateriaal ontworpen als een akoestische resonator", zegt eerste auteur Jun Ji, die onlangs zijn doctoraat in de akoestiek behaalde aan Penn State. "De vorm van het metamateriaal maakt draadloze transmissie en ontvangst van ultrasoon geluid door een metalen barrière mogelijk."

De onderzoekers testten de functie van het metamateriaalmonster in twee experimenten. In de eerste keer stuurden ze draadloos stroom door een metalen plaat met het metamateriaal met behulp van een ultrasone zender en een ontvanger, waarbij ze met succes een LED-lamp aan de andere kant van stroom zorgden. Dit bevestigde het vermogen van het metamateriaal om energie door metalen wanden te transporteren.

In een tweede testgeval stuurden ze een afbeelding van de letters "PSU" door een metalen plaat met het metamateriaal met behulp van gecodeerd ultrasoon signaal, wat bevestigde dat communicatie mogelijk is met het gebruik van het metamateriaal dat de overdracht van ultrasone golven door metalen barrières versterkt. /P>

Draadloze communicatie en stroomvoorziening voor besloten ruimtes kunnen oplossingen bieden voor ingenieurs op verschillende gebieden, zoals ruimteverkenning, legt Ji uit. Metalen containers die bijvoorbeeld monsters van andere planeten vervoeren, zouden een draadloos alternatief nodig hebben om de elektrische stroom en communicatie in stand te houden.

"Om de potentiële besmetting van monsters die naar de aarde worden teruggebracht te voorkomen, heeft de container draadloze sensoren nodig om druklekken te identificeren en te communiceren", zei Ji.

Ultrasone communicatie – met de toevoeging van het metamateriaal – zou de oplossing kunnen zijn om monsters terug naar de aarde te krijgen in de staat waarin ze zijn verzameld, zei Ji.

Meer informatie: Jun Ji et al, Metamateriaal-enabled draadloze en contactloze ultrasone krachtoverdracht en datatransmissie door een metalen muur, Physical Review Applied (2024). DOI:10.1103/PhysRevApplied.21.014059

Journaalinformatie: Fysieke beoordeling toegepast

Aangeboden door Pennsylvania State University