I akustiske bølger, ingeniører bryder gensidighed med rumtidsvarierende metamaterialer

Gensidighed er ikke altid en god ting.

I fysikken, for eksempel, det vedrører elektromagnetiske og akustiske bølger. Ideen er, at bølger bevæger sig samme vej baglæns, som de gør fremad. Hvilket er fint, bortset fra at bølger støder på forhindringer (skyskrabere, vind, mennesker), der får dem til at miste energi.

Men hvad nu hvis du kunne bryde denne regel og lede bølger omkring disse forhindringer? Eller har et objekt fuldstændigt absorberet bølgen i en bestemt retning? Sådanne funktioner kan ændre, hvordan elektroniske, fotoniske og akustiske apparater er designet og brugt.

Ingeniører fra University at Buffalo har taget et skridt i denne retning. Arbejder i et voksende felt kendt som "rumtid-varierende metamaterialer, "ingeniører har demonstreret evnen til at bryde gensidighed i akustiske bølger.

En undersøgelse, der beskriver deres arbejde, som støttes af National Science Foundation, blev udgivet 14. februar i Fysisk gennemgang anvendt breve, et tidsskrift udgivet af American Physical Society.

"Vi har eksperimentelt demonstreret, at det er muligt at bryde gensidighed i akustiske bølger med materielle egenskaber, der ændres samtidigt i tid og rum, "siger projektets hovedforsker Mostafa Nouh, Ph.d., adjunkt i maskin- og rumfartsteknik på School of Engineering and Applied Sciences.

Medforfattere er M. Ali Attarzadeh og Jesse Callanan, både ph.d. kandidater i Nouhs laboratorium.

For at gennemføre eksperimenterne, Nouh og eleverne byggede en bjælke, der består af en almindelig termoplast (acrylonitrilbutadienstyren, eller ABS) stang udstyret med 20 aluminiumsresonatorer, hver formet som et rektangel.

Motorer tillader ingeniører at programmere hver resonator, som er grupperet i par på fire, at dreje med 45 graders vinkelintervaller. For eksempel, den første resonator er på 0 grader, den anden ved 45 grader, den tredje ved 90 grader og den fjerde ved 135 grader. Den næste gruppe på fire følger det samme mønster, og så videre.

Spinnet er både en funktion af rummet (de 45 graders intervaller) og tiden (millisekunder mellem deres vinkelorienteringer). Derfor navnet, rumtid-varierende metamaterialer.

Når den er aktiveret, de roterende resonatorer ligner bilstempler, der snurrer i stedet for at pumpe op og ned. Hvad de laver, imidlertid, ændrer strålens "stivhed, "som er dens modstand mod at blive deformeret af en påført kraft.

Før strålen testes, teamet udførte computersimuleringer, der forudsagde, at gensidighed ville bryde ved meget hurtige variationer i stivhed. Med andre ord, jo hurtigere resonatorerne drejer, jo mere sandsynligt er det, at de kan bryde gensidighed.

Så ingeniørerne skruede motorerne op til 2, 000 omdrejninger pr. Minut (rpm). For at se om det var hurtigt nok, ingeniører sendte vibrationer (en akustisk bølge) gennem strålen via en piezolelektrisk aktuator. Ved hjælp af et scanningslaserdopplervibrometer, samt et termisk billedkamera (for at sikre, at små temperatursvingninger ikke påvirkede forsøget), Nouh og studerende fandt ud af, at det mønster, hvori bølgen vendte tilbage til sin oprindelse, meget afveg fra dens indledende forløb.

"Dette er et bevis på, at bølgen handler på en ikke-gensidig måde, "siger Callanan.

I en anden test, med resonatorerne kun ved 100 omdrejninger i minuttet, bjælkens stivhed bukkede knap. Nouh og studerende fandt ud af, at bølgen vendte tilbage til sit udgangspunkt på samme måde, som den forlod, angiver, at gensidighed ikke blev brudt.

"Eksperimenterne viser ikke kun vores evne til at bryde gensidigheden mellem akustiske bølger, men bekræft vores hypotese om, at et sådant brud er betinget af hastigheden af ​​stivhedsmodulationer gennem spindehandlingen, "siger Attarzadeh.

Evnen til at manipulere bølger på denne måde, et første af sin slags proof-of-concept, har mange mulige anvendelser. For eksempel, du kunne bygge en væg, der tillader lyd let at passere igennem i en retning, men ikke i den modsatte måde. Det kan forbedre, hvordan autonome køretøjer kommunikerer med hinanden. Det kan øge opløsningen af ​​medicinsk billeddannelse via ultralyd, som typisk lider af en begrænsning kaldet "refleksionsartefakter", der kan få læger til at fejlfortolke billeder.

Men Nouh advarer om, at laboratoriepræstationen endnu ikke er klar til kommercialisering. For eksempel, bjælken, teamet byggede, er stor og skal nedskaleres, sandsynligvis gennem 3D-udskrivning eller andre nanofabrikationsværktøjer. Også, de materialer, teamet brugte, opvarmes for hurtigt. For at overvinde dette, mere avancerede og dyrere materialer er sandsynligvis nødvendige.