3-D-printede aktive metamaterialer til lyd- og vibrationskontrol

Forskere har presset på materialernes muligheder ved omhyggeligt at designe præcise strukturer, der udviser unormale egenskaber, der kan kontrollere akustiske eller optiske bølger. Imidlertid, disse metamaterialer er konstrueret i faste geometrier, hvilket betyder, at deres unikke evner altid er faste. Nu, nyt 3-D-printet metamateriale udviklet af et team ledet af forskere fra University of Southern California kan fjernskiftes mellem aktiv kontrol og passive tilstande.

USC Viterbi School of Engineering Adjunkt Qiming Wang og Ph.D. studerende Kun-Hao Yu, sammen med MIT professor Nicholas Fang og University of Missouri professor Guoliang Huang, har udviklet 3-D printede metamaterialer, der er i stand til at blokere lydbølger og mekaniske vibrationer. I modsætning til nuværende metamaterialer, disse kan tændes eller slukkes eksternt ved hjælp af et magnetfelt. Deres materialer kan bruges til støjreduktion, vibrationskontrol og sonisk tilsløring, som kan bruges til at skjule genstande fra akustiske bølger.

"Når du fremstiller en struktur, geometrien kan ikke ændres, hvilket betyder, at ejendommen er fast. Ideen her er, vi kan designe noget meget fleksibelt, så du kan ændre det ved hjælp af eksterne kontroller, " sagde Wang, en adjunkt i civil- og miljøteknik.

Metamaterialer kan bruges til at manipulere bølgefænomener som radar, lyd og lys og er blevet brugt til at udvikle teknologi såsom tilsløringsenheder og forbedrede kommunikationssystemer. Teamets metamaterialer er i stand til at kontrollere miljølyde og strukturelle vibrationer, som har lignende bølgeformer. Ved 3D-printning af et deformerbart materiale indeholdende jernpartikler i en gitterstruktur, deres metamaterialer kan komprimeres ved hjælp af et magnetfelt.

"Du kan anvende en ekstern magnetisk kraft for at deformere strukturen og ændre arkitekturen og geometrien inde i den. Når du først ændrer arkitekturen, du ændrer ejendom, " sagde Wang. "Vi ønskede at opnå denne form for frihed til at skifte mellem stater. Ved hjælp af magnetiske felter, kontakten er reversibel og meget hurtig."

Magnetfeltet komprimerer materialet, men i modsætning til en fysisk kontaktkraft som en metalplade, materialet er ikke begrænset. Derfor, når en akustisk eller mekanisk bølge kommer i kontakt med materialet, det forstyrrer det, genererer de unikke egenskaber, der blokerer for lydbølger og mekaniske vibrationer af visse frekvenser i at passere igennem.

Mekanismen er afhængig af de unormale egenskaber af deres metamaterialer - negativt modul og negativ tæthed. I dagligdags materialer, disse er begge positive.

"Materiale med et negativt modul eller negativ tæthed kan fange lyde eller vibrationer i strukturen gennem lokale resonanser, så de ikke kan overføres gennem den, " sagde Yu.

Typisk, når du skubber på en genstand, det skubber tilbage mod dig. I modsætning, objekter med et negativt modul tiltrækker dig, trækker dig mod dem, mens du skubber. Objekter, der udviser en negativ tæthed, virker på en tilsvarende modstridende måde. Når du skubber disse genstande væk fra dig, de bevæger sig i stedet mod dig.

En negativ egenskab, enten negativt modul eller negativ tæthed, kan arbejde uafhængigt for at blokere støj og stoppe vibrationer inden for visse frekvensregimer. Imidlertid, når man arbejder sammen, støjen eller vibrationerne kan passere igennem igen. Teamet er i stand til at opretholde alsidig kontrol over metamaterialet, skifte mellem dobbelt-positive (lydgennemgang), enkelt-negativ (lydblokering), og dobbelt-negativ (lydovergang) blot ved at skifte magnetfeltet.

"Dette er første gang, forskere har demonstreret reversibel skift mellem disse tre faser ved hjælp af fjernstimuli, " sagde Wang.

Fremtidige retninger

Wang mener, at de måske er i stand til at demonstrere en anden unik egenskab kaldet negativ brydning, hvor en bølge går gennem materialet og kommer tilbage i en unaturlig vinkel, som ifølge Wang er, "antifysik." De planlægger at studere dette fænomen yderligere, når de er i stand til at fremstille større strukturer.

"Vi ønsker at skalere ned eller opskalere vores fabrikationssystem, " sagde Wang. "Dette ville give os flere muligheder for at arbejde på et større område af bølgelængder."

Med deres nuværende system, de kan kun 3D-printe materiale med en strålediameter mellem en mikron til en millimeter. Men størrelsen betyder noget. Mindre stråler ville kontrollere højere frekvensbølger, og større stråler ville påvirke lavere frekvensbølger.

"Der er faktisk en række mulige applikationer til smart styring af akustik og vibrationer, " sagde Yu. "Traditionelle ingeniørmaterialer kan kun beskytte mod akustik og vibrationer, men få af dem kan skifte mellem til og fra."