Naukowcy 3D Print Acoustic Metamateriały, które mogą blokować fale dźwiękowe i wibracje

Pozwala to kontrolować wibracje i dźwięki, które inni badacze bezskutecznie próbują zrobić z nienormalnymi strukturami wystawowymi. Różnica polega na tym, że te metamateriały są zbudowane w ustalonej geometrii, więc ich zdolności również pozostaną niezmienione.

"Podczas konstruowania struktury geometrii nie można zmienić, co oznacza, że ​​właściwość jest stała" - wyjaśnia Qiming Wang, USC Viterbi Assistant Professor of Civil and Environmental Engineering. "Chodzi o to, że możemy zaprojektować coś bardzo elastycznego, aby można było go zmienić za pomocą zewnętrznych elementów sterujących." CD3D .

Yu powiedział: "Tradycyjne materiały inżynierskie mogą chronić tylko przed akustyką i wibracjami, ale niewielu z nich może przełączać się pomiędzy włączaniem i wyłączaniem."

Yu, Fang, Huang i Wang, których badania zostały sfinansowane Narodowa Fundacja Nauki i Biuro Badań Sił Powietrznych Młodego Detektywa, ostatnio opublikowały artykuł zatytułowany "Magnetoactive Acoustic Metamaterials" w czasopiśmie Advanced Materials.

Streszczenie brzmi: "W konwencjonalnej akustyce metamateriały, ujemne parametry konstytutywne są konstruowane za pomocą dostosowanych struktur o ustalonych geometriach; dlatego związki między parametrami konstytutywnymi a częstotliwościami akustycznymi są zazwyczaj ustalane w celu utworzenia przestrzeni fazy 2D po wytworzeniu struktur. W tym przypadku za pomocą modelowego układu magnetoaktywnych struktur kratownicowych wykazano, że wrażliwe na bodźce akustyczne metamateriały są zdolne do rozszerzenia przestrzeni fazy 2D na 3D poprzez szybkie i wielokrotne przełączanie znaków konstytutywnych parametrów za pomocą odległych pól magnetycznych. Po raz pierwszy pokazano, że efektywny moduł może być odwracalnie przełączany pomiędzy dodatnim a ujemnym w kontrolowanych reżimach częstotliwości poprzez wyboczenie sieci modulowane teoretycznymi przewidywanymi polami magnetycznymi. "

Metamateriały mogą manipulować zjawiskami falowymi, takimi jak światło, radar i dźwięk, który pomaga tworzyć technologie, takie jak maskowanie. Dźwięki otoczenia i wibracje strukturalne, które mają podobne przebiegi, mogą być teraz kontrolowane przez unikalne metamateriały zespołu. Mogą one być skompresowane, ale nie ograniczone, za pomocą pola magnetycznego przez drukowanie 3D odkształcalnego materiału, który zawiera cząstki żelaza, w strukturze sieci. Tak więc, gdy fala mechaniczna lub akustyczna styka się z metamateriałem drukowanym 3D, zakłóca to, co następnie powodujewłaściwości, które mogą blokować pewne częstotliwości drgań mechanicznych i fal dźwiękowych.

"Możesz zastosować zewnętrzną siłę magnetyczną, aby odkształcić strukturę i zmienić architekturę oraz geometrię wewnątrz niej" - powiedział Wang. "Po zmianie architektury zmieniasz właściwość. Chcieliśmy osiągnąć ten rodzaj wolności, aby przełączać się między państwami. Za pomocą pól magnetycznych przełącznik jest odwracalny i bardzo szybki. "

Aby działać, mechanizm potrzebuje ujemnego modułu i gęstości metamateriałów; są one zarówno pozytywne w zwykłych materiałach. Obiekt zazwyczaj odepchnie cię, jeśli go popchniesz, ale obiekty o ujemnym module przyciągną cię do przodu, gdy będziesz naciskać; obiekty o gęstości ujemnej przesuwają się w twoją stronę, gdy je popchniesz.

Yu wyjaśnił: "Materiał o ujemnym module lub gęstości ujemnej może uwięzić dźwięki lub wibracje w strukturze przez lokalne rezonanse, aby nie mogły się przez nią przenosić. "

Tylko jedna ujemna właściwość, czy to gęstość czy moduł, jest w stanie samodzielnie blokować wibracje i hałas w pewnych częstotliwościach, ale mogą one przechodzić, jeśli te dwie ujemne właściwości współpracują ze sobą. Zmieniając pole magnetyczne, badacze mają wszechstronną kontrolę i mogą przełączać metamateriał między podwójnym pozytywem (przekazywaniem dźwięku), pojedynczym negatywem (blokowanie dźwięku) i podwójnym negatywem (dźwięk przechodzi ponownie).

Wang powiedział: "Po raz pierwszy naukowcy wykazali odwracalne przełączanie pomiędzy tymi trzema fazami za pomocą bodźców zdalnych."

Obecny system zespołu może drukować metamateriały 3D tylko o średnicy wiązki od jednego mikrona do jednego milimetra, więc musi albo rosnąć, albo się kurczyć. Większe wiązki miałyby wpływ na fale o niższej częstotliwości, podczas gdy mniejsze kontrolowałyby fale o wyższych częstotliwościach.

"Istnieje rzeczywiście wiele możliwych aplikacji do inteligentnego sterowania akustyką i wibracjami. Tradycyjne materiały inżynierskie mogą chronić tylko przed akustyką i wibracjami, ale niewiele z nich może przełączać się pomiędzy włączaniem i wyłączaniem ", powiedział Yu.

Teraz Wang uważa, że ​​zespół mógłby zdobyć metamateriał, aby zademonstrować inną wyjątkową właściwość - negatywną refrakcja lub "anty-fizyka", w której fala przechodzi przez materiał i wraca pod nienaturalnym kątem. Gdy naukowcy zdołają wydrukować większe struktury, będą bardziej skupiać się na badaniu tego zjawiska.

"Chcemy zmniejszyć skalę lub zwiększyć skalę naszego systemu produkcyjnego. To by nam dałowięcej możliwości pracy na szerszym zakresie długości fal ", powiedział Wang.