Forskere skaber et nyt akustisk smart materiale inspireret af hajhud

Fra de hovedtelefoner, vi bruger til at lytte til vores yndlingssange eller podcasts, til sonisk camouflage anvendt af ubåde, hvordan vi transmitterer og oplever lyd er en væsentlig del af, hvordan vi engagerer os i vores omverden. Akustiske metamaterialer er materialer designet til at kontrollere, dirigere og manipulere lydbølger, når de passerer gennem forskellige medier. Som sådan, de kan designes og indsættes i en struktur for at dæmpe eller transmittere lyd.

Problemet er, traditionelle akustiske metamaterialer har komplekse geometrier. Ofte lavet af metal eller hård plast, når de først er skabt, de kan ikke ændres. Tag f.eks. en akustisk enhed konstrueret til at dæmpe udgående lyd i en ubåd, så det kan opnå snighed. Hvis en anden tilstand opstod, for eksempel en allieret ubåden ønskede at kommunikere med passerer forbi, den samme akustiske enhed ville ikke tillade, at lyd transmitteres eksternt.

Et hold af USC-forskere, ledet af Qiming Wang, adjunkt i Sonny Astani Institut for Bygge- og Miljøteknik, skabt et nyt smart materiale, der kan rumme skift i akustisk transmission efter behov. "Med traditionelle akustiske metamaterialer, du opretter én struktur, og du opnår én egenskab. Med dette nye smarte materiale, vi kan opnå flere egenskaber med kun én struktur, " sagde Wang. Ved at studere dette nye materiale, Wang og hans team opdagede, at deres smarte materiale havde evnen til at genskabe egenskaber, der er iboende for elektroniske enheder, såsom kontakter, viser således løfte om smart lydtransmission - en lyd "computer".

Wang og hans team, herunder USC Viterbi Ph.D. kandidater Kyung Hoon Lee, Kunhao Yu, An Xin og Zhangzhengrong Feng, og postdoktor Hasan Al Ba'ba'a, detaljerede deres resultater i deres papir "Sharkskin-Inspired Magnetoactive Reconfigurable Acoustic Metamaterials, " for nylig offentliggjort i Forskning . Inspireret af de dobbelte egenskaber skabt af de dermale dentikler på overfladen af ​​en hajs hud, holdet skabte et nyt akustisk metamateriale, der indeholder magnetofølsomme nanopartikler, der vil bøje sig under kraften af ​​magnetiske stimuli. Denne magnetiske kraft kan ændre strukturen eksternt og efter behov, imødekomme forskellige transmissionsforhold.

Modulering af flere akustiske egenskaber i én enhed

Det akustiske metamateriale skabt af forskerne er lavet af gummi og en blanding af jernnanopartikler. Gummi giver fleksibilitet, tillader materialerne at bøje og bøje reversibelt og gentagne gange, mens jernet får materialet til at reagere på magnetfeltet.

For at få strukturerne til at reagere på akustiske input, Wang og hans team skulle samle materialerne, så resonansen mellem dem - Mie-resonans - muliggjorde ændringer i akustisk transmission - enten blokering eller udførelse af et akustisk input. Hvis søjlerne er tættere sammen, den akustiske bølge vil effektivt blive fanget og forhindret i at forplante sig til den anden side af strukturen. Omvendt hvis søjlerne er længere fra hinanden, den akustiske bølge vil let passere igennem. "Vi bruger det eksterne magnetfelt til at bøje søjlen og udbøje søjlen for at opnå denne form for tilstandsskift, " sagde den førende forfatter Lee. Resultatet er et skift fra en position, der blokerer for akustisk transmission til en, der effektivt leder de akustiske bølger. I modsætning til traditionelle akustiske metamaterialer, der kræves ingen direkte kontakt eller tryk for at ændre materialernes arkitektur.

En lyd "computer"

Wang og hans team var i stand til at demonstrere, hvordan deres smarte materiale kunne efterligne tre vigtige elektroniske enheder:en switch, en logisk port, og en diode. Samspillet mellem de magnetofølsomme materialer og det magnetiske felt manipulerer akustisk transmission på en sådan måde, at der skabes funktioner som et elektrisk kredsløb.

For at forstå dette bedre, lad os se på, hvordan hver af disse tre elektroniske enheder fungerer.

En kontakt gør det muligt at tænde og slukke en kanal, for eksempel, i støjreducerende høretelefoner. I dette eksempel, ved hjælp af en struktur bygget af det smarte akustiske metamateriale, du kan indstille magnetfeltet, så Mie-resonatorstolperne bøjes og giver mulighed for ekstern støj at passere igennem. I et andet tilfælde, du kan slukke for magnetfeltet, og søjlerne forbliver lodrette, blokere ekstern støj i at passere igennem, sagde Wang.

En logisk port bygger på denne idé, ved at udløse beslutningstagning baseret på stimuli, der kommer til forskellige inputkanaler. I tilfælde af en ubåd, måske vil du have den akustiske enhed til at modulere flere forhold, i stedet for et enkelt:angreb, når det modtager et svagt signal og et stærkt signal, men flygt, når den modtager to stærke signaler. For at tillade flere scenarier at være en del af beslutningstagningen, du ville traditionelt have brug for flere enheder, hver designet til et andet scenarie. En AND-gate-operator beskriver en akustisk enhed, der kun vil udløse et bestemt svar, når inputkanalerne begge er stærke. En OR-portoperatør beskriver en akustisk enhed, der vil udløse en bestemt beslutning, når et af de to signaler er stærkt. Med traditionelle akustiske metamaterialer, du kan kun oprette én operator og dermed kun reagere på én betingelse. Med det nye smarte akustiske metamateriale udviklet af forskerne, Wang siger, at du kan skifte fra en AND-gate til en OR-gate-operatør efter behov. I tilfældet med ubåden, det betyder at bruge magnetfeltet, du kan ændre betingelserne, for hvilke en angrebskommando udløses uden at bygge en ny akustisk enhed.

Endelig, der er en diode. En diode er en enhed, hvor den akustiske intensitet er høj i én retning og lav i en anden, således tilbyder den envejstransport af den akustiske bølge. Traditionelle akustiske metamaterialer vil tillade dig at gøre dette, men igen, du kan ikke ændre tilstand. Ved at bruge det nye smarte akustiske metamateriale, du kan skifte fra en diodetilstand til en ledertilstand, som tillader transmission i begge retninger, i stedet for kun én retning. Dette kommer i spil i eksemplet med sonisk camouflage i ubåden, hvor du nogle gange vil have den akustiske enhed til at tillade lyden at bevæge sig i kun én retning og andre gange, du ønsker, at det skal kunne overføres i begge retninger.

"En sådan ændring er aldrig blevet opnået med traditionelle akustiske metamaterialer, " sagde Wang.

Næste skridt

Lige nu, Wang og hans team har testet deres materiale i luften. Næste, de håber at teste de samme egenskaber under vand, for at se, om de kan opnå de samme egenskaber ved et ultralydsområde.

"Gummi er hydrofobisk, så strukturen ikke ændrer sig, men vi skal teste, om materialerne stadig kan indstilles under et eksternt magnetfelt, " sagde Wang, bemærker, at vandet vil have mere modstand og dermed tilføje mere friktion til situationen.