I metamateriali acustici dell'avvolgimento spaziale sono statici e richiedono una riconfigurazione manuale per la modulazione del campo sonoro. In un nuovo rapporto pubblicato in Communications Materials , Christabel Choi e un team di scienziati informatici e ingegneristici nel Regno Unito e in Italia, hanno sviluppato un approccio per la riconfigurazione attiva con dinamiche autonome per celle unitarie con bobina spaziale note come meta-mattoni dinamici.
I meta-mattoni ospitavano un lembo elastomerico, magnetoreologico, azionabile, che funzionava come un interruttore e regolava direttamente gli ultrasuoni trasmessi. Gli scienziati hanno dimostrato la sinergia tra riconfigurabilità attiva e passiva per sviluppare metamateriali multifunzionali con ulteriori gradi di libertà, per la progettazione e l'implementazione.
L’attuale era dei materiali intelligenti ha visto l’ascesa dei metamateriali per innovare le tecnologie di manipolazione del suono. Gli schemi di riconfigurazione hanno recentemente esplorato i metamateriali acustici per migliorare le complesse applicazioni di modellazione delle onde, tra cui la levitazione acustica, il cloaking e l'imaging olografico.
I ricercatori possono regolare strategicamente la forma fisica e la composizione di una struttura su richiesta per consentire una maggiore flessibilità funzionale e implementazione. Per ottenere la funzionalità in tempo reale, gli scienziati hanno modulato il campo sonoro al momento dell'attivazione utilizzando un metamateriale acustico trasmissivo come piattaforma per esplorare la sinergia tra riconfigurabilità attiva e passiva di una metasuperficie per ottenere un output modificato.
In questo lavoro, Choi e colleghi hanno dimostrato che una metasuperficie non richiedeva una natura completamente dinamica per generare un output dinamico. Convenzionalmente, una metasuperficie attiva può essere formata da una serie completa di celle unitarie attivamente riconfigurabili con un elevato grado di complessità elettronica e computazionale.
Gli scienziati hanno combinato meta-mattoni statici e dinamici per creare pile di meta-mattoni ibridi all'interno della metasuperficie. I ricercatori hanno posizionato i meta-mattoni dinamici sui bordi delle metasuperfici e li hanno regolati magneticamente per consentire un'accurata modulazione del suono tramite simulazioni ed esperimenti.
Finora gli ingegneri del suono hanno ottenuto la levitazione acustica solo con metamateriali statici. La capacità di modulare gli ultrasuoni in tempo reale ha implicazioni in una varietà di settori, inclusa la raccolta di energia. Le applicazioni audio commerciali possono, ad esempio, utilizzare metamateriali per consentire a uno stretto raggio di suono di essere diretto dinamicamente verso posizioni specifiche su richiesta. Questo lavoro mostra un metodo per progettare metamateriali versatili, sintonizzabili, multifunzionali e di nuova generazione.
La presenza di protuberanze interne dalle pareti laterali in un meta-mattone può creare un percorso labirintico attraverso il quale le onde sonore possono viaggiare. Mentre i meta-mattoni possono essere dimensionati per funzionare a frequenze più basse, i lembi possono essere progettati per funzionare a una frequenza ultrasonica aerea di 40 kHz; adatto per la manipolazione senza contatto e il feedback tattile.
Utilizzando un elastomero magnetoreologico, il team ha evitato i tradizionali meccanismi a cerniera a causa dell'elevato attrito associato, per ottenere un angolo di deflessione massimo per il meta-mattone. Il battito binario attivo ha facilitato il percorso all'interno del meta-mattone per formare un labirinto modificabile per trasferire le onde acustiche in tempo reale.
Choi e colleghi hanno sviluppato un meta-mattone dinamico in cui i componenti esterni si riferivano al guscio del meta-mattone e i componenti interni si riferivano a lembi statici e dinamici di diverse lunghezze. Il team ha sviluppato il guscio di meta-mattoni insieme ai lembi statici e dinamici tramite metodi di stampa e stampaggio tridimensionale.
Per lo stampaggio, gli scienziati dei materiali hanno utilizzato lastre di vetro planari, sviluppate utilizzando nanoparticelle magnetiche sintetiche mescolate con Ecoflex e colate all'interno di stampi stampati in 3D.
Hanno posizionato gli stampi su un magnete durante il processo di polimerizzazione e hanno utilizzato una combinazione di lavaggio e immersione a temperatura elevata per rimuovere gli inibitori della polimerizzazione. Il team ha modellato ciascun lembo con uno spessore costante e un coefficiente di variazione.
Dopo aver assemblato il metamattone dinamico, lo hanno azionato con un magnete permanente. Dopo l'azionamento, lo sportello si è spostato rapidamente verso il muro. In presenza del campo magnetico, il lembo era sostenuto e stabile, mentre quando non veniva azionato da un magnete, il lembo rimaneva nel suo stato originale.
Il team ha condotto simulazioni e grafici sperimentali per mostrare come gli stati di attuazione combinati influenzassero la trasmissione in un piccolo array dinamico; i risultati erano in buon accordo. Mentre ogni meta-mattone consentiva uno specifico spostamento di fase, i meta-mattoni fisicamente combinati in una metasuperficie formavano uno spostamento di fase combinato come uscita acustica collettiva.
I ricercatori hanno ottenuto il campo sonoro di uscita desiderato predefinendo i valori di fase per determinare il tipo di meta-mattoni necessari per valutare il loro posizionamento l'uno rispetto all'altro.
Includendo un piccolo numero di meta-mattoni dinamici attivati localmente, hanno fatto funzionare dinamicamente una metasuperficie globale altrimenti statica. Inizialmente, hanno regolato il lembo magnetico all'interno del meta-mattone dinamico e poi hanno valutato i meta-mattoni all'interno di una metasuperficie tramite impilamento. Mentre gli stack statici si formavano posizionando un meta-mattone statico sopra un'altra struttura simile, gli stack dinamici combinavano i due per creare una supercella verticale.
Levitazione acustica dinamica
Cho e colleghi hanno condotto misurazioni della pressione attivando e disattivando le metasuperfici per visualizzare la modulazione in tempo reale del campo sonoro. Hanno ideato metasuperfici composite impilate gemelle per dimostrare e contenere i raggi focalizzati. L'equilibrio della pressione acustica all'interno di questi contenitori potrebbe pizzicare gli oggetti nelle regioni a bassa pressione acustica.
Per la validazione sperimentale, il gruppo di ricerca ha spostato una leggera perla di polistirene tra i due scompartimenti. Dopo l'attivazione, la sfera non è caduta, a indicare come la modulazione rapida del campo sonoro potesse mantenere la levitazione acustica.
In questo modo, Christabel Choi e il suo team hanno introdotto i meta-mattoni dinamici come paradigma per progettare metamateriali acustici dinamici che sono emersi in prima linea nell’innovazione per le tecnologie di manipolazione del suono. Gli scienziati dei materiali hanno esplorato attentamente questa nicchia per migliorare complesse applicazioni di modellazione delle onde, tra cui levitazione acustica, occultamento, orientamento del raggio e imaging olografico.
Includendo un piccolo lembo magnetico dinamico, gli scienziati hanno trasformato un metamattone statico in una struttura dinamica e hanno combinato i due per produrre più di un output come metasuperficie dinamica. I risultati potrebbero aprire la strada a progetti più sofisticati.
Il team ha esplorato i risultati sperimentali con un modello teorico e tramite simulazioni COMSOL Multiphysics per dimostrare la loro eccellente concordanza. Tali attuatori possono essere funzionalizzati, modellati o rivestiti per fornire funzionalità aggiuntive per sistemi fluidici e valvole. Questi approcci interdisciplinari potrebbero aprire la strada allo sviluppo della prossima generazione di metamateriali.
Ulteriori informazioni: Christabel Choi et al, Un metamateriale ultrasonico trasmissivo labirintico dinamico azionato magneticamente, Materiali per le comunicazioni (2024). DOI:10.1038/s43246-023-00438-4
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