Insidan av undervattensrör och slutna kärnkraftsbehållare var otillgängliga - tills nyligen. Akustikforskare vid Penn State College of Engineering har utvecklat ett sätt att förmedla energi och överföra kommunikation genom metallväggar med hjälp av ultraljud.
De publicerade sin innovation, ett pelarbaserat akustiskt metamaterial som fungerar vid ultraljudsfrekvensområdet, i Physical Review Applied . Arbetet kan få konsekvenser för forskningen i rymden, enligt forskarna.
"Om du vill driva en enhet, till exempel en temperatursensor, inuti ett metallhölje som ett rör, kan ultraljudsvågor föra den energin till enheten", säger Yun Jing, professor i akustik och biomedicinsk teknik och motsvarande författare på tidningen . "Men tidigare kunde vågorna inte passera genom metallbarriärer som skulle blockera ljud, om inte givarna var i direkt kontakt med barriären."
Forskarna skapade ett pelarbaserat metamaterial:en rad små, cylindriska pelare placerade på en metallplatta som fungerar som resonatorer, som vibrerar eller oscillerar för att skapa akustisk resonans.
När metamaterialet är placerat mellan en transduktorsändare och en mottagare, ökar det dramatiskt ultraljudseffektöverföringshastigheten genom en metallbarriär, utan att kräva direktkontakt mellan transduktorer och barriären. Tidigare kunde svaga ultraljudsvågor passera genom metall, men de saknade tillräcklig energi för att driva en sensor eller skicka meddelanden genom metallen.
"Med en smal ände och en bredare ände som en pelare är det akustiska metamaterialet designat som en akustisk resonator", sa förstaförfattaren Jun Ji, som nyligen tog sin doktorsexamen i akustik från Penn State. "Formen på metamaterialet möjliggör trådlös överföring och mottagning av ultraljud genom en metallbarriär."
Forskarna testade funktionen hos metamaterialprovet i två experiment. I den första överförde de trådlöst ström genom en metallplatta med metamaterialet med hjälp av en ultraljudssändare och en mottagare, vilket lyckades driva en LED-lampa på andra sidan. Detta bekräftade metamaterialets förmåga att överföra kraft genom metallväggar.
I ett andra testfall överförde de en bild av bokstäverna "PSU" genom en metallplatta med metamaterialet med hjälp av en kodad ultraljudssignal, vilket bekräftar att kommunikation är möjlig med användning av metamaterialet som stärker överföringen av ultraljudsvågor genom metallbarriärer.
Trådlös kommunikation och kraft för slutna utrymmen kan ge lösningar för ingenjörer inom flera områden, till exempel rymdutforskning, förklarade Ji. Metallbehållare, till exempel som bär prover från andra planeter, skulle kräva ett trådlöst alternativ för att upprätthålla elkraft och kommunikation.
"För att undvika att den potentiella kontamineringen av prover förs tillbaka till jorden kommer behållaren att behöva trådlösa sensorer för att identifiera och kommunicera tryckläckor", sa Ji.
Ultraljudskommunikation – med tillägg av metamaterialet – kan vara lösningen för att få tillbaka proverna till jorden i det tillstånd som de samlades in, sa Ji.
Mer information: Jun Ji et al, Metamaterial-aktiverad trådlös och kontaktlös ultraljudskraftöverföring och dataöverföring genom en metallvägg, Physical Review Applied (2024). DOI:10.1103/PhysRevApplied.21.014059
Journalinformation: Fysisk granskning tillämpad
Tillhandahålls av Pennsylvania State University
