Dalle cuffie che usiamo per ascoltare le nostre canzoni o podcast preferiti, al camuffamento sonoro impiegato dai sottomarini, il modo in cui trasmettiamo e sperimentiamo il suono è una parte essenziale del modo in cui interagiamo con il mondo circostante. I metamateriali acustici sono materiali progettati per controllare, dirigere e manipolare le onde sonore mentre passano attraverso diversi mezzi. Come tale, possono essere progettati e inseriti in una struttura per smorzare o trasmettere il suono.

Il problema è, i metamateriali acustici tradizionali hanno geometrie complesse. Spesso realizzati in metallo o plastica dura, una volta creati, non possono essere modificati. Prendi ad esempio, un dispositivo acustico costruito per smorzare il suono in uscita in un sottomarino, in modo che possa raggiungere la furtività. Se si verificasse una condizione diversa, per esempio un alleato che il sottomarino voleva comunicare con i passanti, lo stesso dispositivo acustico non consentirebbe la trasmissione del suono all'esterno.

Un team di ricercatori dell'USC, guidato da Qiming Wang, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale Sonny Astani, ha creato un nuovo materiale intelligente che si adatta ai cambiamenti nella trasmissione acustica su richiesta. "Con i tradizionali metamateriali acustici, crei una struttura e ottieni una proprietà. Con questo nuovo materiale intelligente, possiamo ottenere più proprietà con una sola struttura, " disse Wang. Nello studiare questo nuovo materiale, Wang e il suo team hanno scoperto che il loro materiale intelligente aveva la capacità di ricreare proprietà intrinseche a dispositivi elettronici come interruttori, mostrando così la promessa di una trasmissione intelligente del suono, un "computer" sonoro.

Wang e la sua squadra, incluso USC Viterbi Ph.D. candidati Kyung Hoon Lee, Kunhao Yu, An Xin e Zhangzhengrong Feng, e studioso post-dottorato Hasan Al Ba'ba'a, hanno dettagliato le loro scoperte nel loro articolo "Metamateriali acustici riconfigurabili magnetoattivi ispirati alla pelle di squalo, " recentemente pubblicato in Ricerca . Ispirato alle doppie proprietà create dai denticoli dermici sulla superficie della pelle di squalo, il team ha creato un nuovo metamateriale acustico che contiene nanoparticelle magneto-sensibili che si piegheranno sotto la forza degli stimoli magnetici. Questa forza magnetica può cambiare la struttura a distanza e su richiesta, adattarsi a diverse condizioni di trasmissione.

Modulazione di più proprietà acustiche in un unico dispositivo

Il metamateriale acustico creato dai ricercatori è costituito da gomma e un mix di nanoparticelle di ferro. La gomma offre flessibilità, permettendo ai materiali di piegarsi e flettersi in modo reversibile e ripetuto, mentre il ferro rende il materiale sensibile al campo magnetico.

Per rendere le strutture sensibili agli input acustici, Wang e il suo team hanno dovuto assemblare i materiali in modo tale che la risonanza tra loro, la risonanza di Mie, consentisse cambiamenti nella trasmissione acustica, bloccando o conducendo un input acustico. Se i pilastri sono più vicini tra loro, l'onda acustica sarà efficacemente intrappolata e impedita di propagarsi dall'altra parte della struttura. Al contrario, se i pilastri sono più distanti, l'onda acustica passerà facilmente. "Usiamo il campo magnetico esterno per piegare il pilastro e piegare il pilastro per ottenere questo tipo di commutazione di stato, " ha affermato l'autore principale Lee. Il risultato è uno spostamento da una posizione che blocca la trasmissione acustica a una che conduce efficacemente le onde acustiche. A differenza dei tradizionali metamateriali acustici, non è richiesto alcun contatto diretto o pressione per modificare l'architettura dei materiali.

Un "computer" sonoro

Wang e il suo team sono stati in grado di dimostrare come il loro materiale intelligente potrebbe imitare tre dispositivi elettronici chiave:un interruttore, una porta logica, e un diodo. L'interazione dei materiali magnetosensibili con il campo magnetico manipola la trasmissione acustica in modo tale da creare funzioni come un circuito elettrico.

Per capirlo meglio, diamo un'occhiata a come funziona ciascuno di questi tre dispositivi elettronici.

Un interruttore consente di attivare e disattivare un canale, Per esempio, nelle cuffie con cancellazione del rumore. In questo esempio, utilizzando una struttura costruita con il metamateriale acustico intelligente, è possibile sintonizzare il campo magnetico in modo che i pilastri del risonatore Mie si pieghino e consentano il passaggio del rumore esterno. In un altro caso, puoi disattivare il campo magnetico e i pilastri rimarranno verticali, bloccare il rumore esterno dal passaggio, ha detto Wang.

Una porta logica si basa su questa idea, innescando un processo decisionale basato su stimoli in arrivo a diversi canali di input. Nel caso di un sottomarino, forse vuoi che il dispositivo acustico moduli più condizioni, invece di uno singolare:attacca quando riceve un segnale debole e un segnale forte, ma fuggi quando riceve due forti segnali. Al fine di consentire a più scenari di essere parte del processo decisionale, tradizionalmente avresti bisogno di più dispositivi, ognuno progettato per uno scenario diverso. Un operatore di porta AND descrive un dispositivo acustico che attiverebbe una certa risposta solo quando i canali di ingresso sono entrambi forti. Un operatore di cancello OR descrive un dispositivo acustico che attiverebbe una certa decisione quando uno dei due segnali è forte. Con i tradizionali metamateriali acustici, puoi creare un solo operatore e quindi rispondere a una sola condizione. Con il nuovo metamateriale acustico intelligente sviluppato dai ricercatori, Wang afferma che è possibile passare da un cancello AND a un operatore di cancello OR su richiesta. Nel caso del sottomarino, ciò significa utilizzare il campo magnetico, potresti cambiare le condizioni per cui viene attivato un comando di attacco senza costruire un nuovo dispositivo acustico.

Finalmente, c'è un diodo. Un diodo è un dispositivo in cui l'intensità acustica è alta in una direzione e bassa in un'altra, quindi offre il trasporto unidirezionale dell'onda acustica. I metamateriali acustici tradizionali ti permetteranno di farlo, ma di nuovo, non puoi cambiare stato Utilizzando il nuovo metamateriale acustico intelligente, puoi passare da uno stato diodo a uno stato di conduttore, che consente la trasmissione in entrambe le direzioni, invece di una sola direzione. Questo entra in gioco nell'esempio del camuffamento sonico nel sottomarino, dove a volte vorrai che il dispositivo acustico permetta al suono di viaggiare solo in una direzione e altre volte, vuoi che sia trasmissibile in entrambe le direzioni.

"Un tale cambiamento non è mai stato raggiunto dai tradizionali metamateriali acustici, "Ha detto Wang.

Prossimi passi

Proprio adesso, Wang e il suo team hanno testato il loro materiale in aria. Prossimo, sperano di testare le stesse proprietà sott'acqua, per vedere se possono raggiungere le stesse caratteristiche a una gamma di ultrasuoni.

"La gomma è idrofoba, così la struttura non cambierà, ma dobbiamo testare se i materiali avranno ancora accordabilità sotto un campo magnetico esterno, "Wang ha detto, notando che l'acqua avrà più resistenza e quindi aggiungerà più attrito alla situazione.