Проблема в том, что традиционные акустические метаматериалы имеют сложную геометрию. Часто изготавливаются из металла или твердого пластика, после создания их нельзя изменить. Возьмем, к примеру, акустическое устройство, сконструированное для гашения исходящего звука на подводной лодке, чтобы оно могло быть незаметным. Если возникнут другие условия, например, союзник, с которым подводная лодка хотела связаться с проходами, то же самое акустическое устройство не позволило бы передавать звук извне.
Группа исследователей USC во главе с Цимингом Ван, доцентом кафедры гражданского строительства и охраны окружающей среды Сонни Астани, создала новый интеллектуальный материал, который позволяет изменять акустическую передачу по запросу. «Используя традиционные акустические метаматериалы, вы создаете одну структуру и получаете одно свойство. «С помощью этого нового интеллектуального материала мы можем достичь множества свойств с помощью всего одной структуры», – сказал Ван. Изучая этот новый материал, Ван и его команда обнаружили, что их интеллектуальный материал обладает способностью воссоздавать свойства, присущие электронным устройствам, таким как переключатели, тем самым показывая перспективу интеллектуальной передачи звука – звукового "компьютера"."
Ван и его команда, включая USC Viterbi Ph.D. кандидаты Kyung Hoon Lee, Kunhao Yu, An Xin и Zhangzhengrong Feng, а также постдокторант Хасан Аль Баабаа подробно рассказали о своих выводах в своей статье «Магнитоактивные реконфигурируемые акустические метаматериалы на основе акульей кожи», недавно опубликованной в журнале Research.
Вдохновленные двойными свойствами, создаваемыми дермальными зубчиками на поверхности кожи акулы, команда создала новый акустический метаматериал, который содержит магниточувствительные наночастицы, которые изгибаются под действием магнитных стимулов. Эта магнитная сила может изменять структуру удаленно и по требованию, приспосабливая к различным условиям передачи.
Регулирование нескольких акустических свойств в одном устройстве
Акустический метаматериал, созданный исследователями, состоит из резины и смеси наночастиц железа.
Резина обеспечивает гибкость, позволяя материалам изгибаться и многократно обратимо и многократно, в то время как железо заставляет материал реагировать на магнитное поле.
Чтобы структуры реагировали на акустические воздействия, Ван и его команда должны были собрать материалы таким образом, чтобы резонанс между ними – резонанс Ми – позволял изменять акустическую передачу – либо блокируя, либо проводя акустический ввод. Если столбы расположены ближе друг к другу, акустическая волна будет эффективно улавливаться и не будет распространяться на другую сторону конструкции.
И наоборот, если столбы находятся дальше друг от друга, акустическая волна будет легко проходить через. «Мы используем внешнее магнитное поле, чтобы сгибать опору и разгибать опору для достижения такого рода переключения состояний», – сказал ведущий автор Ли. В результате происходит переход от положения, которое блокирует передачу звука, к положению, которое эффективно проводит акустические волны. В отличие от традиционных акустических метаматериалов, для изменения структуры материалов не требуется прямого контакта или давления.
Звуковой "Компьютер"
Ван и его команда смогли продемонстрировать, как их интеллектуальный материал может имитировать три ключевых электронных устройства: переключатель, логический вентиль и диод. Взаимодействие магниточувствительных материалов с магнитным полем управляет передачей звука таким образом, чтобы создавать функции, подобные электрической цепи.
Чтобы лучше понять это, давайте посмотрим, как работает каждое из этих трех электронных устройств.
Переключатель позволяет включать и выключать канал, например, в наушниках с шумоподавлением. В этом примере, используя структуру, построенную из интеллектуального акустического метаматериала, вы можете настроить магнитное поле так, чтобы стойки резонатора Ми изгибались и позволяли внешнему шуму проходить через них. В другом случае вы можете выключить магнитное поле, и колонны останутся вертикальными, блокируя прохождение внешнего шума, – сказал Ван.
Логический вентиль основан на этой идее, инициируя принятие решения на основе стимулов, поступающих на разные входные каналы. В случае с подводной лодкой, возможно, вы хотите, чтобы акустическое устройство модулировало несколько условий вместо одного: атаковать, когда оно получает один слабый сигнал и один сильный сигнал, но убегать, когда оно получает два сильных сигнала.
Чтобы несколько сценариев могли быть частью процесса принятия решений, вам обычно потребуется несколько устройств, каждое из которых спроектировано для разных сценариев. Оператор логического элемента И описывает акустическое устройство, которое будет вызывать определенный отклик только тогда, когда оба входных канала сильны. Оператор логического элемента ИЛИ описывает акустическое устройство, которое запускает определенное решение, когда любой из двух сигналов является сильным. С традиционными акустическими метаматериалами вы можете создать только одного оператора и, таким образом, реагировать только на одно условие.
По словам Ванга, с помощью нового интеллектуального акустического метаматериала, разработанного исследователями, вы можете переключаться с логического элемента И на оператор логического элемента ИЛИ по запросу. В случае с подводной лодкой это означает, что с помощью магнитного поля вы можете изменить условия, при которых срабатывает команда атаки, без создания нового акустического устройства.
Наконец, есть диод. Диод – это устройство, в котором интенсивность звука высокая в одном направлении и низкая в другом, поэтому он обеспечивает одностороннюю транспортировку акустической волны. Традиционные акустические метаматериалы позволят вам это сделать, но, опять же, вы не можете изменять состояния. Используя новый интеллектуальный акустический метаматериал, вы можете перейти из состояния диода в состояние проводника, что обеспечивает передачу в обоих направлениях, а не только в одном направлении.
Это играет роль в примере звукового камуфляжа на подводной лодке, где иногда вам нужно, чтобы акустическое устройство позволяло звуку распространяться только в одном направлении, а в других случаях вы хотите, чтобы он передавался в обоих направлениях.
«Такие изменения никогда не были достигнуты традиционными акустическими метаматериалами», – сказал Ван.
Следующие шаги
Прямо сейчас Ван и его команда тестируют свой материал в воздухе.
Затем они надеются проверить те же свойства под водой, чтобы увидеть, смогут ли они достичь тех же характеристик в ультразвуковом диапазоне.
«Резина гидрофобна, поэтому структура не изменится, но нам нужно проверить, будут ли материалы по-прежнему настраиваться под воздействием внешнего магнитного поля», – сказал Ван, отметив, что вода будет иметь большее сопротивление и, таким образом, добавит больше трения в ситуацию.
Это исследование финансируется Программой молодых исследователей Управления научных исследований ВВС США (FA9550-18-1-0192, руководитель программы: Dr.
Ming-Jen Pan) и Национального научного фонда (CMMI-1762567).