Un'onda acustica che obbedisce alla reciprocità; viaggia verso l'esterno in tutte le direzioni (come cerchi concentrici che si formano dopo che un sasso è caduto in uno stagno). Credito:Università di Buffalo
La reciprocità non è sempre una buona cosa.
In fisica, Per esempio, riguarda le onde elettromagnetiche e acustiche. L'idea è che le onde viaggiano allo stesso modo all'indietro come in avanti. che va bene, tranne che le onde incontrano ostacoli (grattacieli, vento, persone) che fanno perdere loro energia.
Ma cosa accadrebbe se potessi infrangere quella regola e guidare le onde intorno a quegli ostacoli? Oppure un oggetto assorbe completamente l'onda in una direzione specifica? Tali funzionalità potrebbero alterare il modo in cui l'elettronica, vengono progettati e utilizzati dispositivi fotonici e acustici.
Gli ingegneri dell'Università di Buffalo hanno fatto un passo in questa direzione. Lavorando in un campo emergente noto come "metamateriali variabili nello spazio-tempo, " Gli ingegneri hanno dimostrato la capacità di rompere la reciprocità nelle onde acustiche.
Uno studio che descrive il loro lavoro, che è sostenuto dalla National Science Foundation, è stato pubblicato il 14 febbraio in Revisione fisica applicata lettere, una rivista pubblicata dall'American Physical Society.
"Abbiamo dimostrato sperimentalmente che è possibile rompere la reciprocità nelle onde acustiche con proprietà dei materiali che cambiano simultaneamente nel tempo e nello spazio, ", afferma Mostafa Nouh, investigatore capo del progetto, dottorato di ricerca, assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate.
Una reciprocità di rottura dell'onda acustica; il suo percorso (le protuberanze coniche ascendenti) è unidirezionale e si propaga solo verso sinistra. Credito:Università di Buffalo
I coautori sono M. Ali Attarzadeh e Jesse Callanan, entrambi Ph.D. candidati nel laboratorio di Nouh.
Per condurre gli esperimenti, Nouh e gli studenti hanno costruito una trave costituita da un comune materiale termoplastico (acrilonitrile butadiene stirene, o ABS) dotato di 20 risonatori in alluminio, ciascuno a forma di rettangolo.
I motori consentono agli ingegneri di programmare ogni risonatore, che sono raggruppati in coppie di quattro, ruotare a intervalli di 45 gradi. Per esempio, il primo risonatore è a 0 gradi, il secondo a 45 gradi, il terzo a 90 gradi e il quarto a 135 gradi. Il prossimo gruppo di quattro segue lo stesso schema, e così via.
La rotazione è sia una funzione dello spazio (gli intervalli di 45 gradi) che del tempo (i millisecondi tra i loro orientamenti angolari). Da qui il nome, metamateriali variabili nello spaziotempo.
Quando attivato, i risonatori rotanti sembrano pistoni di auto che ruotano invece di pompare su e giù. cosa stanno facendo, però, sta cambiando la "rigidità" della trave, " che è la sua resistenza ad essere deformata da una forza applicata.
Prima di testare il raggio, il team ha eseguito simulazioni al computer che prevedevano che la reciprocità si sarebbe interrotta a variazioni molto rapide di rigidità. In altre parole, più velocemente girano i risonatori, più è probabile che possano rompere la reciprocità.
Quindi gli ingegneri hanno portato i motori a 2, 000 giri al minuto (rpm). Per vedere se questo era abbastanza veloce, gli ingegneri hanno inviato vibrazioni (un'onda acustica) attraverso il raggio tramite un attuatore piezoelettrico. Utilizzando un vibrometro laser Doppler a scansione, così come una termocamera (per garantire che lievi fluttuazioni di temperatura non influenzassero l'esperimento), Nouh e gli studenti hanno scoperto che il modello in cui l'onda è tornata alla sua origine si discostava ampiamente dal suo corso iniziale.
"Questa è la prova che l'onda agisce in modo non reciproco, "dice Callanan.
In un'altra prova, con i risonatori che girano solo a 100 giri/min, la rigidità della trave si mosse appena. Nouh e gli studenti hanno scoperto che l'onda è tornata al punto di origine nello stesso modo in cui era partita, indicando che la reciprocità non era rotta.
"Gli esperimenti non solo dimostrano la nostra capacità di rompere la reciprocità delle onde acustiche, ma confermano la nostra ipotesi che tale rottura sia contingente alla velocità di modulazione della rigidezza attraverso l'azione di filatura, "dice Attarzadeh.
La capacità di manipolare le onde in questo modo, una prima prova di concetto nel suo genere, ha molti usi possibili. Per esempio, potresti costruire un muro che permetta al suono di passare facilmente in una direzione ma non nella direzione opposta. Potrebbe migliorare il modo in cui i veicoli autonomi comunicano tra loro. Potrebbe aumentare la risoluzione dell'imaging medico tramite ultrasuoni, che in genere soffre di una limitazione chiamata "artefatti da riflessione" che può portare i medici a interpretare erroneamente le immagini.
Ma Nouh avverte che il risultato del laboratorio non è ancora pronto per la commercializzazione. Per esempio, il raggio costruito dal team è grande e dovrebbe essere ridimensionato, probabilmente attraverso la stampa 3D o altri strumenti di nanofabbricazione. Anche, i materiali utilizzati dal team si riscaldano troppo rapidamente. Per superare questo, sono probabilmente necessari materiali più avanzati e più costosi.
