Från hörlurarna använder vi för att lyssna på våra favoritlåtar eller poddar, till sonisk kamouflage som används av ubåtar, hur vi överför och upplever ljud är en väsentlig del av hur vi interagerar med vår omvärld. Akustiska metamaterial är material utformade för att kontrollera, styra och manipulera ljudvågor när de passerar genom olika medier. Som sådan, de kan utformas och sättas in i en struktur för att dämpa eller överföra ljud.

Problemet är, traditionella akustiska metamaterial har komplexa geometrier. Ofta gjord av metall eller hårdplast, när de väl skapats, de kan inte ändras. Ta till exempel, en akustisk anordning konstruerad för att dämpa utgående ljud i en ubåt, så att det kan uppnå smyg. Om ett annat tillstånd uppstod, till exempel en allierad ubåten ville kommunicera med passerar, samma akustiska enhet skulle inte tillåta ljud att överföras externt.

Ett team av USC -forskare, ledd av Qiming Wang, biträdande professor vid Sonny Astanis institution för civil- och miljöteknik, skapat ett nytt smart material som rymmer skift i akustisk transmission vid behov. "Med traditionella akustiska metamaterial, du skapar en struktur och du uppnår en egenskap. Med detta nya smarta material, vi kan uppnå flera egenskaper med bara en struktur, "Sa Wang. När jag studerade detta nya material, Wang och hans team upptäckte att deras smarta material hade förmågan att återskapa egenskaper som är inneboende i elektroniska enheter som switchar, visar därmed löfte om smart ljudöverföring - en sund "dator".

Wang och hans team, inklusive USC Viterbi Ph.D. kandidater Kyung Hoon Lee, Kunhao Yu, En Xin och Zhangzhengrong Feng, och postdoktor Hasan Al Ba'ba'a, redogjorde för sina fynd i sin uppsats "Sharkskin-Inspired Magnetoactive Reconfigurable Acoustic Metamaterials, "publicerades nyligen i Forskning . Inspirerad av de dubbla egenskaperna som skapats av dermal denticles på ytan av en hajhud, laget skapade ett nytt akustiskt metamaterial som innehåller magnetokänsliga nanopartiklar som kommer att böja sig under kraften av magnetiska stimuli. Denna magnetiska kraft kan ändra strukturen på distans och på begäran, för olika överföringsförhållanden.

Modulera flera akustiska egenskaper i en enhet

Det akustiska metamaterialet som forskarna skapat är tillverkat av gummi och en blandning av järnanopartiklar. Gummit ger flexibilitet, låta materialen böjas och böjas reversibelt och upprepade gånger, medan järnet gör att materialet reagerar på magnetfältet.

För att göra strukturerna lyhörda för akustiska ingångar, Wang och hans team var tvungna att montera materialen så att resonansen mellan dem - Mie -resonans - möjliggjorde förändringar i akustisk överföring - antingen att blockera eller genomföra en akustisk ingång. Om pelarna ligger närmare varandra, den akustiska vågen kommer effektivt att fångas upp och förhindras att föröka sig till den andra sidan av strukturen. Omvänt, om pelarna ligger längre ifrån varandra, den akustiska vågen kommer lätt att passera. "Vi använder det yttre magnetfältet för att böja pelaren och böja pelaren för att uppnå denna typ av tillståndsväxling, "sa den ledande författaren Lee. Resultatet är en förskjutning från en position som blockerar akustisk överföring till en som effektivt leder de akustiska vågorna. Till skillnad från traditionella akustiska metamaterial, ingen direkt kontakt eller tryck krävs för att ändra materialens arkitektur.

En sund "dator"

Wang och hans team kunde visa hur deras smarta material kunde efterlikna tre viktiga elektroniska enheter:en switch, en logisk grind, och en diod. Samspelet mellan de magnetokänsliga materialen och magnetfältet manipulerar akustisk överföring på ett sådant sätt att det skapar funktioner som en elektrisk krets.

För att förstå detta bättre, låt oss titta på hur var och en av dessa tre elektroniska enheter fungerar.

En omkopplare gör att en kanal kan slås på och av, till exempel, i brusreducerande hörlurar. I det här exemplet, med en struktur byggd av det smarta akustiska metamaterialet, du kan ställa in magnetfältet så att Mie -resonatorpelarna böjer sig och tillåter yttre buller att passera igenom. I ett annat fall du kan stänga av magnetfältet och pelarna förblir vertikala, blockerar yttre buller från att passera, Sa Wang.

En logisk grind bygger på denna idé, genom att utlösa beslutsfattande baserat på stimuli som kommer till olika ingångskanaler. När det gäller en ubåt, kanske du vill att den akustiska enheten ska modulera flera förhållanden, i stället för en enda:attack när den tar emot en svag signal och en stark signal, men fly när den får två starka signaler. För att flera scenarier ska kunna ingå i beslutsfattandet, du skulle traditionellt behöva flera enheter, var och en arkitekterad för ett annat scenario. En AND -grindoperatör beskriver en akustisk enhet som endast skulle utlösa ett visst svar när ingångskanalerna är båda starka. En OR -grindoperatör beskriver en akustisk enhet som skulle utlösa ett visst beslut när någon av de två signalerna är stark. Med traditionella akustiska metamaterial, du kan bara skapa en operatör och därmed svara på endast ett villkor. Med det nya smarta akustiska metamaterialet utvecklat av forskarna, Wang säger att du kan byta från en OCH -grind till en OR -grindoperatör på begäran. När det gäller ubåten, det betyder att man använder magnetfältet, du kan ändra villkoren för vilka ett attackkommando utlöses utan att bygga en ny akustisk enhet.

Till sist, det finns en diod. En diod är en anordning där akustisk intensitet är hög i en riktning och låg i en annan, sålunda erbjuder den enkelriktad transport av den akustiska vågen. Traditionella akustiska metamaterial gör att du kan göra detta, men igen, du kan inte ändra tillstånd. Med det nya smarta akustiska metamaterialet, du kan byta från ett diodtillstånd till ett ledartillstånd, som möjliggör överföring i båda riktningarna, istället för bara en riktning. Detta spelar in i exemplet med sonisk kamouflage i ubåten, där du ibland vill att den akustiska enheten ska tillåta att ljudet bara rör sig i en riktning och andra gånger, du vill att den ska vara överförbar i båda riktningarna.

"En sådan förändring har aldrig uppnåtts med traditionella akustiska metamaterial, "Sa Wang.

Nästa steg

Just nu, Wang och hans team har testat sitt material i luften. Nästa, de hoppas kunna testa samma egenskaper under vatten, för att se om de kan uppnå samma egenskaper vid ett ultraljudsområde.

"Gummi är hydrofobt, så strukturen förändras inte, men vi måste testa om materialen fortfarande kommer att vara avstämbara under ett externt magnetfält, "Sa Wang, att notera att vattnet kommer att ha mer motstånd och därmed lägga till mer friktion i situationen.