Akustisk opfindelse forbedrer ultralyd for at få adgang til lukkede metalrum

Indersiden af ​​undervandsrør og lukkede nukleare beholdere var utilgængelige - indtil for nylig. Akustikforskere ved Penn State College of Engineering har udviklet en måde at formidle energi og transmittere kommunikation gennem metalvægge ved hjælp af ultralyd.

De udgav deres innovation, et søjlebaseret akustisk metamateriale, der fungerer ved ultralydsfrekvensområde, i Physical Review Applied . Arbejdet kan ifølge forskerne få konsekvenser for forskning i rummet.

"Hvis du ville forsyne en enhed, såsom en temperatursensor, inde i et metalindkapsling som et rør, kan ultralydsbølger transportere den energi til enheden," sagde Yun Jing, professor i akustik og biomedicinsk teknik og tilsvarende forfatter på papiret . "Men tidligere kunne bølgerne ikke passere gennem metalbarrierer, der ville blokere lyd, medmindre transducerne var i direkte kontakt med barrieren."

Forskerne skabte et søjlebaseret metamateriale:en række små, cylindriske søjler placeret på en metalplade, der fungerer som resonatorer, som vibrerer eller oscillerer for at skabe akustisk resonans.

Når metamaterialet er placeret mellem en transducersender og en modtager, øger det dramatisk ultralydseffekttransmissionshastigheden gennem en metalbarriere uden at kræve direkte kontakt mellem transducere og barrieren. Tidligere kunne svage ultralydsbølger passere gennem metal, men de manglede tilstrækkelig energi til at drive en sensor eller sende beskeder gennem metallet.

"Med en smal ende og en bredere ende som en søjle er det akustiske metamateriale designet som en akustisk resonator," sagde førsteforfatter Jun Ji, som for nylig fik sin doktorgrad i akustik fra Penn State. "Formen af ​​metamaterialet giver mulighed for trådløs transmission og modtagelse af ultralyd gennem en metalbarriere."

Forskerne testede funktionen af ​​metamaterialeprøven i to eksperimenter. I den første transmitterede de trådløst strøm gennem en metalplade med metamaterialet ved hjælp af en ultralydssender og en modtager, hvilket med succes forsynede et LED-lys på den anden side. Dette bekræftede metamaterialets evne til at overføre strøm gennem metalvægge.

I et andet testtilfælde transmitterede de et billede af bogstaverne "PSU" gennem en metalplade med metamaterialet ved hjælp af kodet ultralydssignal, hvilket bekræfter, at kommunikation er mulig ved brug af metamaterialet, der styrker transmissionen af ​​ultralydsbølger gennem metalbarrierer.

Trådløs kommunikation og strøm til lukkede rum kan give løsninger til ingeniører på flere områder, såsom rumudforskning, forklarede Ji. Metalbeholdere, for eksempel, der bærer prøver fra andre planeter, ville kræve et trådløst alternativ for at opretholde elektrisk strøm og kommunikation.

"For at undgå, at den potentielle kontaminering af prøver bringes tilbage til Jorden, vil beholderen have brug for trådløse sensorer til at identificere og kommunikere tryklækager," sagde Ji.

Ultralydskommunikation – med tilføjelsen af ​​metamaterialet – kunne være løsningen til at få prøverne tilbage til Jorden i den tilstand, hvor de blev indsamlet, sagde Ji.

Flere oplysninger: Jun Ji et al, Metamateriale-aktiveret trådløs og kontaktløs ultralydsstrømoverførsel og datatransmission gennem en metalvæg, Physical Review Applied (2024). DOI:10.1103/PhysRevApplied.21.014059

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang anvendt

Leveret af Pennsylvania State University