Czy Twoje następne słuchawki mogą korzystać z metamateriałów 3D drukowanych?

Często widzieliśmy drukowanie 3D używane do produkcji słuchawek i wkładek dousznych. Ale zespół naukowców z Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Elektronicznej na Uniwersytecie w Strathclyde w Glasgow przenosi ten pomysł na wyższy poziom dzięki metamateriałom akustycznym. Metamateriały, które zmieniają się w zależności od środowiska, tworzą nową klasę drobno inżynierskich powierzchni, które mogą wykonywać zadania, takie jak drukowanie 3D hologramów i kształtowanie fal dźwiękowych. Metamateriały akustyczne mają wyjątkową zdolność tłumienia dźwięku poprzez łamanie prawa gęstości masy, ze względu na właściwości, takie jak ujemna efektywna gęstość i moduł objętościowy - nie ma łatwego wycisku, jeśli chodzi o małe urządzenia, ponieważ cienkie ściany są łatwo penetrowane przez fale akustyczne.

Naukowcy, którzy są powiązani w różnych zdolnościach z uniwersyteckim Centrum Inżynierii Ultradźwiękowej (CUE), niedawno opublikowali artykuł zatytułowany "Wzmocnienie absorpcji dźwięku przez małe skalowane metamateriały akustyczne 3D drukowane na podstawie rezonatorów Helmholtza, "Wyszczególniając sposób, w jaki ich akustyczne metametaryczne wydruki SLA 3D, oparte na rezonatorach Helmholtza, mogą być wykorzystywane do zastosowań w małej absorpcji dźwięku.

Streszczenie brzmi:" Odpowiedź kierunkowa ze względu na położenie źródła akustycznego na tłumienie dźwięku zapewniane przez metamateriał jest badane przez sterowanie umiejscowieniem głośnika za pomocą ramienia robota. Aby wzmocnić i poszerzyć pasma absorpcji, dodaje się modyfikacje strukturalne, tak że naddźwięki są dostrajane do wybranych częstotliwości, a membrany znajdują się u podstawy rezonatorów. Ten projekt jest możliwy dzięki innowacyjnym technikom druku 3D opartym na stereolitografii i zastosowaniu specjalnych żywic utwardzalnych promieniami UV. Wyniki te pokazują, że projekty te można wykorzystać do sterowania dźwiękiem w małych urządzeniach elektroakustycznych i czujnikach. "

Aby zmniejszyć przepuszczalność dźwięku materiału o połowę, należy podwoić jego częstotliwość akustyczną, gęstość lub grubość . Kiedy metamateriał akustyczny ma parametry ujemne, powstają pasma zatrzymania, w których dźwięk jest silnie tłumiony przy pewnych częstotliwościach.

"Metamateriały akustyczne mogą złamać prawo gęstości masy poprzez wykorzystanie pasm zatrzymania uformowanych w pobliżu częstotliwości rezonansowe ich komórek elementarnych ", wyjaśniają naukowcy. "Te materialne struktury często bazują na rezonatorach i membranach Helmholtza. Pasmo częstotliwości, które jest tłumione przy użyciu tego rodzaju komórek elementarnychNiemniej jednak wąskie, dlatego rozwiązania takie jak sprzężenie wielu rezonansów i wykorzystanie strat materiałów są ogólnie stosowane do tworzenia szerokopasmowego tłumienia. "

W pracy zespołu zaprezentowano podstawowy projekt tych małoskalowych, poddziałań. długości fali 3D drukowane akustyczne metamateriały, które wykorzystują układy rezonatorów Helmholtza do generowania pasm zatrzymania, w których tłumienie dźwięku wzrasta wraz z liczbą komórek elementarnych. Głośnik, prowadzony przez ramię robota KUKA poprzez trajektorię półkuli półkuli, pokazał, że pasmo absorpcyjne tworzy "dla każdego kąta padania uderzającej fali dźwiękowej". Mikrofon odniesienia był używany do pomiaru transmisji dźwięku w powietrzu, podczas gdy transmisja powyżej próbki została zmierzona przez drugi mikrofon.

W artykule wyjaśniono również dwie metody wzmacniania pasma stopu, z których pierwsza wymaga, aby poddźwięki rezonatorów były lepiej dostrojone do częstotliwości podstawowej; to powoduje, że zespół się rozszerza. Drugi sposób polega na drukowaniu membran w bazie rezonatorów.

"W tej pracy stosuje się nowatorską technikę wytwarzania, w której cienkie membrany są wytwarzane w rezonatorach Helmholtza, dwóch jednostkach składających się z różnych materiałów," naukowcy napisał. "Przedstawiona technika produkcji może spowodować szybkie prototypowanie metamateriałów i przyczynić się do rozwoju tej dziedziny w środowisku przemysłowym. Proste modele fizyczne prezentowanych metamateriałów są zawarte w każdej sekcji, jednak praca ta opiera się głównie na wynikach eksperymentalnych i ma na celu opracowanie metamateriałów, które mogłyby zostać włączone do rzeczywistych urządzeń. Potencjalne zastosowania tej pracy obejmują eliminację szumów dla urządzeń takich jak słuchawki, aparaty słuchowe i inne czujniki. "

Kontynuacja prac nad zaawansowanymi metamateriałami akustycznymi w takich zastosowaniach, jak maskowanie akustyczne, ogniskowanie dźwięku i falowanie oraz obrazowanie i obliczenia , ale wyniki często nie są zintegrowane z funkcjonalnymi urządzeniami. Jeśli jednak badania takie jak te przeprowadzone przez University of Strathclyde mogą zostać zweryfikowane, w niedalekiej przyszłości możemy przyglądać się znacznie ulepszonym słuchawkom