Virtualiseret metamateriale åbner døren for akustikapplikationer og mere

Afspilning af optaget lyd fra digitalt lager giver os mulighed for at nyde musik uden fysisk tilstedeværelse af et musikinstrument til at generere resonanslyd. I et tilsyneladende ubeslægtet område kaldet metamaterialer, videnskabsmænd designer forskellige fysiske strukturer, der også resonerer med lyd eller lys, at opnå mange spændende fænomener som negativ brydning og usynlighed.

For nylig, forskere fra Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), i samarbejde med Seoul National University i Korea, har indset, hvad de kaldte et virtualiseret akustisk metamateriale, ved at digitalisere materialerespons på en impulsrespons lagret i et softwareprogram. En sådan digital repræsentation er almindelig i signalbehandling for at konstruere filtre, men nu som en ny anvendelse til materialevidenskab. Den digitale repræsentation erstatter de tidligere fysiske strukturer, efterlader kun en samling mikrofoner og højttalere forbundet med en backend-mikroprocessor. Metamaterialets impulsrespons er nu blot et softwareprogram til at generere enhver spredt bølge med en skræddersyet frekvensspredning. Som sådan, responsen af ​​metamaterialer kan gøres vilkårlig og fleksibelt indstillet ved blot et klik på knappen.

Deres resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation den 14. januar, 2020.

"Den nuværende tilgang inden for metamaterialeforskning efterligner naturlige atomers reaktion fra kunstigt konstruerede ved hjælp af resonerende fysiske strukturer. Men det lider i lang tid af en begrænsning af, at egenskaben ikke let kan indstilles i et stort område og på en dynamisk måde, " sagde prof. Jensen Li Tsan-Hang fra Institut for Fysik, HKUST, der ledede forskningen. "Dette er især vigtigt for mange realistiske applikationer, såsom bredbånd stealth, der skal arbejde i et dynamisk og i et stringent miljø."

"Vores arbejde tackler dette problem og giver en gennemførlig tilgang til at digitalisere svaret til et softwareprogram. En digital repræsentation af et metamateriale, ved at låne et populært koncept for impulsrespons i signalbehandling, responsen af ​​metamateriale kan indstilles og ændres ved blot et klik på knappen for at ændre softwareprogrammet, " sagde Prof. Li.

Mens metamaterialer har vist høje kommercielle værdier i form af deres overlegne ydeevne inden for lydisolering, laver kompakte meta-linser, etc., en sådan virtualiseringsteknologi vil yderligere tilføje enorm tunability med hensyn til funktioner, at tildele et andet betydningsniveau til "meta, "og tillader metamaterialer at gøre bredbånd stealth, aktiv lydabsorption, super-opløsning billeddannelse, og videre.

"Med vores tilgang, vi kan nemt gå ind i det aktive regime af metamaterialer, ud over den tunability, vi har nævnt. Ekstern elektronik, i sammenligning med konventionelle metamaterialer, der består af passive fysiske strukturer, kan altid give kraft til metamaterialerne, " sagde prof. Namkyoo Park, ved Institut for Elektro- og Computerteknik, Seoul National University. "Vi er ikke begrænset til metamaterialer, der kun kan være passive eller sprede kraft; enhver aktiv respons kan let specificeres. Vi beviser dette i vores arbejde ved at realisere et metamateriale med forstærket transmission, der er meget større end værdi 1."

"Ved at erstatte den resonerende fysiske struktur med en designer matematisk foldningskerne med et hurtigt digitalt signalbehandlingskredsløb, vi demonstrerer en afkoblet kontrol af det effektive bulkmodul og massetæthed af akustiske metamaterialer on-demand gennem en softwaredefineret frekvensspredning, " sagde Prof. Li. "Tilbyder frit software-rekonfigurerbar amplitude, center frekvens, og båndbredde af frekvensspredning, vores tilgang tilføjer en yderligere dimension til at konstruere ikke-gensidige, ikke-ermitian, og topologiske systemer med tidsvarierende kapacitet som potentielle applikationer."

Det næste trin i forskergruppen vil involvere at opbygge en meget større version af meta-atomer af et metamateriale, som vil give forskere mulighed for yderligere at manipulere lydbølger med egenskaber, der går ud over den nuværende generation af metamaterialer, såsom bredbånds usynlighed, ekstrem ikke-gensidig transmission eller lydisolering.