Et magnetisk aktiveret akustisk metamateriale

Space coiling akustiske metamaterialer er statiske og kræver manuel rekonfiguration til lydfeltmodulation. I en ny rapport offentliggjort i Communications Materials , Christabel Choi og et team af videnskabsmænd inden for datalogi og teknik i Storbritannien og Italien, udviklede en tilgang til aktiv rekonfiguration med selvstændig dynamik til rumspolenhedsceller kendt som dynamiske meta-klodser.

Meta-klodserne indeholdt en aktivérbar, magnetoreologisk, elastomer klap, til at fungere som en kontakt og til direkte at regulere den transmitterede ultralyd. Forskerne viste synergien mellem aktiv og passiv rekonfigurerbarhed for at udvikle multifunktionelle metamaterialer med yderligere frihedsgrader til design og implementering.

Smarte materialer

Den nuværende tidsalder af smarte materialer har set fremkomsten af ​​metamaterialer til at innovere lydmanipulationsteknologier. Skemaer til rekonfiguration har for nylig udforsket akustiske metamaterialer for at forbedre komplekse bølgeformende applikationer, herunder akustisk levitation, tilsløring og holografisk billeddannelse.

Forskere kan strategisk regulere den fysiske form og sammensætning af en struktur efter behov for at muliggøre større funktionel fleksibilitet og udbredelse. For at opnå funktionalitet i realtid modulerede forskerne lydfeltet ved aktivering ved at bruge et transmissivt akustisk metamateriale som en platform til at udforske synergien mellem aktiv og passiv rekonfigurerbarhed af en metasurface for at opnå et modificeret output.

Udvikling af næste generations metamaterialer

I dette arbejde viste Choi og kolleger, at en metasurface ikke krævede en fuldt dynamisk karakter for at generere et dynamisk output. Konventionelt kan en aktiv metasurface dannes ud fra et komplet array af aktivt rekonfigurerbare enhedsceller med en høj grad af elektronisk og beregningsmæssig kompleksitet.

Forskerne kombinerede statiske og dynamiske meta-klodser sammen for at skabe hybride meta-klodser i meta-overfladen. Forskerne lettede de dynamiske meta-klodser til kanterne af metasurfaces og magnetisk regulerede dem for at tillade nøjagtig lydmodulation via simuleringer og eksperimenter.

Lydteknikere har indtil videre kun opnået akustisk levitation med statiske metamaterialer. Kapaciteten til at modulere ultralyd i realtid har implikationer på tværs af en række forskellige domæner, herunder energihøst. Kommercielle lydapplikationer kan for eksempel bruge metamaterialer til at tillade, at en smal lydstråle kan dirigeres dynamisk til bestemte steder efter behov. Dette arbejde viser en metode til at konstruere alsidige, justerbare, multifunktionelle, næste generations metamaterialer.

Design af den dynamiske meta-klods

Tilstedeværelsen af ​​indvendige fremspring fra sidevæggene i en meta-klods kan skabe en labyrintbane, som lydbølger kan rejse igennem. Mens meta-klodser kan skaleres til at arbejde ved lavere frekvenser, kan klapperne designes til at fungere ved 40 kHz luftbåren ultralydsfrekvens; velegnet til kontaktløs manipulation og haptisk feedback.

Ved at bruge en magnetoreologisk elastomer undgik holdet konventionelle hængsellignende mekanismer på grund af høje mængder af tilhørende friktion for at opnå en maksimal afbøjningsvinkel for meta-klodsen. Den aktive binære flapping lettede stien i meta-klodsen til at danne en modificerbar labyrint til at overføre akustiske bølger i realtid.

Fremstilling af en dynamisk meta-klods

Choi og kolleger udviklede en dynamisk meta-klods, hvor de ydre komponenter refererede til meta-brick-skallen, og interne komponenter refererede til statiske og dynamiske klapper af forskellig længde. Holdet udviklede meta-murstensskallen sammen med de statiske og dynamiske klapper via tredimensionelle print- og støbningsmetoder.

Til støbning brugte materialeforskerne plane glasplader, udviklet ved hjælp af syntetiske magnetiske nanopartikler blandet med Ecoflex og støbt i 3D-printede forme.

De placerede formene over en magnet under hærdningsprocessen og brugte en kombination af vask og iblødsætning ved forhøjet temperatur for at fjerne polymerisationshæmmere. Holdet støbte hver flap med en ensartet tykkelse og en variationskoefficient.

Efter at have samlet den dynamiske meta-klods, aktiverede de den med en permanent magnet. Ved aktivering bevægede klappen sig hurtigt mod væggen. I nærvær af det magnetiske felt var klappen fastholdt og stabil, mens klappen forblev i sin oprindelige tilstand, når den ikke blev aktiveret med en magnet.

Binær ultralydsmodulation, meta-klodser og metasurfaces

Holdet udførte simuleringer og eksperimentelle plots for at vise, hvordan kombinerede aktiveringstilstande påvirkede transmissionen i et lille dynamisk array; resultaterne stemte godt overens. Mens hver meta-klods tillod et specifikt faseskift, dannede de fysisk kombinerede meta-klodser i en meta-overflade et kombineret faseskift som et kollektivt akustisk output.

Forskerne opnåede et ønsket output-lydfelt ved at foruddefinere faseværdierne for at bestemme den type meta-klods, der kræves for at vurdere deres placering i forhold til hinanden.

Ved at inkludere et lille antal lokalt aktiverede dynamiske meta-klodser fik de en ellers statisk global metasurface til at fungere dynamisk. Først regulerede de den magnetiske flap i den dynamiske meta-klods og vurderede derefter meta-klodserne inden for en meta-overflade via stabling. Mens de statiske stakke blev dannet på grund af at placere en statisk meta-klods oven på en anden lignende struktur, kombinerede dynamiske stakke de to for at skabe en lodret supercelle.

Dynamisk akustisk levitation

Cho og kolleger udførte trykmålinger ved at aktivere og deaktivere metasfladerne for at visualisere realtidsmodulation af lydfeltet. De udtænkte dobbelte sammensatte stablede metasurfaces for at demonstrere og indeholde de fokuserede stråler. Balancen af ​​det akustiske tryk i disse indeslutninger kan presse genstandene ved områder med lavt akustisk tryk.

Til eksperimentel validering flyttede forskerholdet en letvægts polystyrenperle mellem tvillingrummene. Ved aktivering faldt perlen ikke for at indikere, hvordan den hurtige lydfeltmodulation kunne opretholde akustisk levitation.

Outlook

På denne måde introducerede Christabel Choi og teamet dynamiske meta-klodser som et paradigme til at designe dynamiske akustiske metamaterialer, der er dukket op på forkant med innovation inden for lydmanipulationsteknologier. Materialeforskere har ihærdigt udforsket nichen for at forbedre komplekse bølgeformende applikationer, herunder akustisk levitation, tilsløring, strålestyring og holografisk billeddannelse.

Ved at inkludere en lille, dynamisk magnetisk flap forvandlede forskerne en statisk meta-klods til en dynamisk konstruktion og kombinerede de to for at producere mere end ét output som en dynamisk metasurface. Resultaterne kan bane vejen for mere sofistikerede designs.

Holdet udforskede de eksperimentelle resultater med en teoretisk model og via COMSOL Multiphysics-simuleringer for at vise deres fremragende overensstemmelse. Sådanne aktuatorer kan være funktionaliserede, mønstrede eller belagte for at tilvejebringe yderligere funktionaliteter til fluidiske systemer og ventiler. Disse tværfaglige tilgange kan bane vejen for at udvikle den næste generation af metamaterialer.

Flere oplysninger: Christabel Choi et al., Et magnetisk aktiveret dynamisk labyrintisk transmissivt ultralydsmetamateriale, Kommunikationsmaterialer (2024). DOI:10.1038/s43246-023-00438-4

© 2024 Science X Network