Space coiling akustiska metamaterial är statiska och kräver manuell omkonfigurering för ljudfältsmodulering. I en ny rapport publicerad i Communications Materials , Christabel Choi, och ett team av forskare inom datavetenskap och ingenjörsvetenskap i Storbritannien och Italien, utvecklade ett tillvägagångssätt för aktiv omkonfigurering med fristående dynamik till rymdspoleenhetsceller kända som dynamiska meta-tegelstenar.
Meta-tegelstenarna inrymde en manöverbar, magnetoreologisk, elastomer flik, för att fungera som en strömbrytare och för att direkt reglera det överförda ultraljudet. Forskarna visade synergin mellan aktiv och passiv omkonfigurerbarhet för att utveckla multifunktionella metamaterial med ytterligare frihetsgrader, för design och implementering.
Den nuvarande tidsåldern för smarta material har sett uppkomsten av metamaterial för att förnya ljudmanipuleringstekniker. Schema för omkonfigurering har nyligen utforskat akustiska metamaterial för att förbättra komplexa vågformande applikationer, inklusive akustisk levitation, cloaking och holografisk avbildning.
Forskare kan strategiskt reglera den fysiska formen och sammansättningen av en struktur på begäran för att möjliggöra större funktionell flexibilitet och användning. För att uppnå realtidsfunktionalitet, modulerade forskarna ljudfältet vid aktivering genom att använda ett transmissivt akustiskt metamaterial som en plattform för att utforska synergin mellan aktiv och passiv omkonfigurerbarhet av en metayta för att uppnå en modifierad uteffekt.
I detta arbete visade Choi och kollegor att en metayta inte krävde en helt dynamisk natur för att generera en dynamisk utdata. Konventionellt kan en aktiv metayta formas av en hel uppsättning aktivt omkonfigurerbara enhetsceller med en hög grad av elektronisk och beräkningskomplexitet.
Forskarna kombinerade statiska och dynamiska meta-tegelstenar för att skapa hybrid meta-tegelstackar inom metaytan. Forskarna underlättade de dynamiska meta-klossarna till kanterna av metasytor och magnetiskt reglerade dem för att möjliggöra exakt ljudmodulering via simuleringar och experiment.
Ljudtekniker har hittills endast uppnått akustisk levitation med statiska metamaterial. Förmågan att modulera ultraljud i realtid har implikationer inom en mängd olika domäner inklusive energiskörd. Kommersiella ljudapplikationer kan till exempel använda metamaterial för att tillåta en smal ljudstråle att riktas dynamiskt till specifika platser vid behov. Detta arbete visar en metod för att konstruera mångsidiga, avstämbara, multifunktionella, nästa generations metamaterial.
Närvaron av inre utsprång från sidoväggarna i en meta-tegel kan skapa en labyrintbana för ljudvågor att färdas igenom. Medan meta-stenar kan skalas för att fungera vid lägre frekvenser, kan klaffarna utformas för att fungera vid 40 kHz luftburen ultraljudsfrekvens; lämpad för kontaktlös manipulation och haptisk feedback.
Genom att använda en magnetoreologisk elastomer undvek teamet konventionella gångjärnsliknande mekanismer på grund av höga mängder tillhörande friktion, för att uppnå en maximal avböjningsvinkel för meta-tegelstenen. Den aktiva binära flappingen underlättade vägen inom meta-stenen för att bilda en modifierbar labyrint för att överföra akustiska vågor i realtid.
Choi och kollegor utvecklade en dynamisk meta-tegel där de externa komponenterna refererade till meta-brick-skalet, och interna komponenter refererade till statiska och dynamiska flikar av olika längd. Teamet utvecklade meta-tegelskalet tillsammans med de statiska och dynamiska flikarna via tredimensionella tryck- och gjutningsmetoder.
För gjutning använde materialforskarna plana glasplattor, utvecklade med syntetiska magnetiska nanopartiklar blandade med Ecoflex och gjutna i 3D-tryckta formar.
De placerade formarna över en magnet under härdningsprocessen och använde en kombination av tvättning och blötläggning vid förhöjd temperatur för att avlägsna polymerisationsinhibitorer. Teamet formade varje flik med en konsekvent tjocklek och en variationskoefficient.
Efter att ha monterat den dynamiska meta-stenen aktiverade de den med en permanentmagnet. Vid aktivering rörde sig klaffen snabbt mot väggen. I närvaro av magnetfältet var klaffen bibehållen och stabil, medan fliken förblev i sitt ursprungliga tillstånd när den inte aktiverades med en magnet.
Teamet genomförde simuleringar och experimentella plotter för att visa hur kombinerade aktiveringstillstånd påverkade transmissionen i en liten dynamisk array; resultaten stämde väl överens. Medan varje meta-block tillät en specifik fasförskjutning, bildade de fysiskt kombinerade meta-blocken i en metayta en kombinerad fasförskjutning som en kollektiv akustisk utsignal.
Forskarna fick ett önskat ljudfält genom att fördefiniera fasvärdena för att bestämma vilken typ av meta-sten som krävs för att bedöma deras placering i förhållande till varandra.
Genom att inkludera ett litet antal lokalt aktiverade dynamiska meta-tegelstenar fick de en annars statisk global metayta att fungera dynamiskt. Först reglerade de den magnetiska klaffen i den dynamiska meta-tegelstenen och bedömde sedan meta-tegelstenarna inom en metayta via stapling. Medan de statiska staplarna bildades på grund av att en statisk meta-kloss placerades ovanpå en annan liknande struktur, kombinerade dynamiska staplar de två för att skapa en vertikal supercell.
Dynamisk akustisk levitation
Cho och kollegor genomförde tryckmätningar genom att aktivera och avaktivera metasytorna för att visualisera realtidsmodulering av ljudfältet. De skapade dubbla sammansatta staplade metasytor för att demonstrera och innehålla de fokuserade strålarna. Balansen av det akustiska trycket i dessa inneslutningar kan sätta föremålen på plats i områden med lågt akustiskt tryck.
För experimentell validering flyttade forskargruppen en lätt polystyrenpärla mellan tvillingfacken. Vid aktivering tappade inte pärlan, för att indikera hur den snabba ljudfältsmoduleringen kunde upprätthålla akustisk levitation.
På detta sätt introducerade Christabel Choi och teamet dynamiska meta-tegelstenar som ett paradigm för att designa dynamiska akustiska metamaterial som har dykt upp i framkanten av innovation för ljudmanipuleringsteknologier. Materialforskare har intensivt utforskat nischen för att förbättra komplexa vågformande tillämpningar, inklusive akustisk levitation, cloaking, strålstyrning och holografisk avbildning.
Genom att inkludera en liten, dynamisk magnetisk flik, förvandlade forskarna en statisk meta-tegel till en dynamisk konstruktion och kombinerade de två för att producera mer än en utdata som en dynamisk metayta. Resultaten kan bana väg för mer sofistikerade design.
Teamet utforskade de experimentella resultaten med en teoretisk modell och via COMSOL Multiphysics-simuleringar för att visa deras utmärkta överensstämmelse. Sådana ställdon kan vara funktionaliserade, mönstrade eller belagda för att tillhandahålla ytterligare funktionaliteter för fluidsystem och ventiler. Dessa tvärvetenskapliga tillvägagångssätt kan bana väg för att utveckla nästa generations metamaterial.
Mer information: Christabel Choi et al, ett magnetiskt aktiverat dynamiskt labyrinttransmissivt ultraljudsmetamaterial, Kommunikationsmaterial (2024). DOI:10.1038/s43246-023-00438-4
© 2024 Science X Network
