Desde los auriculares que usamos para escuchar nuestras canciones o podcasts favoritos, hasta el camuflaje sónico empleado por los submarinos, la forma en que transmitimos y experimentamos el sonido es una parte esencial de cómo nos relacionamos con el mundo que nos rodea. Los metamateriales acústicos son materiales diseñados para controlar,dirigir y manipular ondas de sonido a medida que pasan a través de diferentes medios. Como tales, pueden diseñarse e insertarse en una estructura para amortiguar o transmitir sonido.
El problema es que los metamateriales acústicos tradicionales tienen geometrías complejas. A menudo están hechos de metal o plástico duro, una vez que se crean, no se pueden cambiar. Tomemos, por ejemplo, un dispositivo acústico construido para amortiguar el sonido saliente en un submarino, de modo quepuede lograr sigilo. Si surgiera una condición diferente, por ejemplo, un aliado con el que el submarino quisiera comunicarse pasa, el mismo dispositivo acústico no permitiría que el sonido se transmitiera externamente.
Un equipo de investigadores de la USC, dirigido por Qiming Wang, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de Sonny Astani, creó un nuevo material inteligente que acomoda los cambios en la transmisión acústica a pedido ". Con los metamateriales acústicos tradicionales, se crea una estructuray usted logra una propiedad. Con este nuevo material inteligente, podemos lograr múltiples propiedades con una sola estructura ", dijo Wang. Al estudiar este nuevo material, Wang y su equipo descubrieron que su material inteligente tenía la capacidad de recrear propiedades intrínsecas.a dispositivos electrónicos como interruptores, lo que promete una transmisión inteligente de sonido: una "computadora" de sonido
Wang y su equipo, incluidos los candidatos a doctorado de USC Viterbi, Kyung Hoon Lee, Kunhao Yu, An Xin y Zhangzhengrong Feng, y el erudito posdoctoral Hasan Al Ba'ba'a, detallaron sus hallazgos en su artículo "Magnetoactive inspirado en la piel de tiburónReconfigurable Acoustic Metamaterials, "publicado recientemente en Investigación . Inspirado por las propiedades duales creadas por los dentículos dérmicos en la superficie de la piel de un tiburón, el equipo creó un nuevo metamaterial acústico que contiene nanopartículas magneto-sensibles que se doblarán bajo la fuerza de los estímulos magnéticos. Esta fuerza magnética puede cambiarestructura remota y bajo demanda, acomodando diferentes condiciones de transmisión.
Modulación de múltiples propiedades acústicas en un dispositivo
El metamaterial acústico creado por los investigadores está hecho de caucho y una mezcla de nanopartículas de hierro. El caucho ofrece flexibilidad, permitiendo que los materiales se doblen y flexionen de forma reversible y repetida, mientras que el hierro hace que el material responda al campo magnético.
Para que las estructuras respondan a las entradas acústicas, Wang y su equipo tuvieron que ensamblar los materiales de manera que la resonancia entre ellos, resonancia Mie, permitiera cambios en la transmisión acústica, ya sea bloqueando o conduciendo una entrada acústica.los pilares están más juntos, la onda acústica quedará atrapada de manera efectiva y se evitará que se propague al otro lado de la estructura. Por el contrario, si los pilares están más separados, la onda acústica pasará fácilmente ". Usamos el campo magnético externo para doblarel pilar y deshacer el pilar para lograr este tipo de cambio de estado ", dijo el autor principal, Lee. El resultado es un cambio de una posición que bloquea la transmisión acústica a una que conduce efectivamente las ondas acústicas. A diferencia de los metamateriales acústicos tradicionales, no hay contacto directoo se requiere presión para cambiar la arquitectura de los materiales.
Un sonido "Computadora"
Wang y su equipo pudieron demostrar cómo su material inteligente podía imitar tres dispositivos electrónicos clave: un interruptor, una puerta lógica y un diodo. La interacción de los materiales magneto-sensibles con el campo magnético manipula la transmisión acústica en unmanera de crear funciones como un circuito eléctrico.
Para comprender esto mejor, veamos cómo funciona cada uno de estos tres dispositivos electrónicos.
Un interruptor permite activar y desactivar un canal, por ejemplo, en auriculares con cancelación de ruido. En este ejemplo, utilizando una estructura construida del metamaterial acústico inteligente, puede sintonizar el campo magnético para que los pilares del resonador Miedoble y permita que pase el ruido externo. En otro caso, puede apagar el campo magnético y los pilares permanecerán verticales, bloqueando el paso del ruido externo, dijo Wang.
Una puerta lógica se basa en esta idea, al activar la toma de decisiones basada en estímulos entrantes a diferentes canales de entrada. En el caso de un submarino, quizás desee que el dispositivo acústico module múltiples condiciones, en lugar de una singular: ataque cuandorecibe una señal débil y una señal fuerte, pero huye cuando recibe dos señales fuertes. Con el fin de permitir que múltiples escenarios sean parte de la toma de decisiones, tradicionalmente necesitaría múltiples dispositivos, cada uno diseñado para un escenario diferente.el operador de puerta describe un dispositivo acústico que dispararía una determinada respuesta solo cuando los canales de entrada son fuertes. Un operador de puerta OR describe un dispositivo acústico que dispararía una determinada decisión cuando cualquiera de las dos señales es fuerte. Con los metamateriales acústicos tradicionales, ustedsolo puede crear un operador y, por lo tanto, responder a una sola condición. Con el nuevo metamaterial acústico inteligente desarrollado por los investigadores, Wang dice que puede cambiar de unPuerta AND a un operador de puerta OR bajo demanda.En el caso del submarino, eso significa usar el campo magnético, podría cambiar las condiciones para las cuales se activa un comando de ataque sin construir un nuevo dispositivo acústico.
Finalmente, hay un diodo. Un diodo es un dispositivo en el que la intensidad acústica es alta en una dirección y baja en otra, por lo tanto, ofrece transporte unidireccional de la onda acústica. Los metamateriales acústicos tradicionales le permitirán hacer esto,pero de nuevo, no puede cambiar los estados. Usando el nuevo metamaterial acústico inteligente, puede cambiar de un estado de diodo a un estado conductor, lo que permite la transmisión en ambas direcciones, en lugar de solo una dirección. Esto entra en juego en el ejemplo del camuflaje sónicoen el submarino, donde a veces querrá que el dispositivo acústico permita que el sonido viaje solo en una dirección y otras veces, desea que sea transmisible en ambas direcciones.
"Tal cambio nunca se ha logrado con los metamateriales acústicos tradicionales", dijo Wang.
próximos pasos
En este momento, Wang y su equipo han estado probando su material en el aire. A continuación, esperan probar las mismas propiedades bajo el agua, para ver si pueden lograr las mismas características en un rango de ultrasonido.
"El caucho es hidrofóbico, por lo que la estructura no cambiará, pero necesitamos probar si los materiales aún tendrán capacidad de ajuste bajo un campo magnético externo", dijo Wang, señalando que el agua tendrá más resistencia y, por lo tanto, agregará más fricción ala situación.
Esta investigación está financiada por el Programa de Jóvenes Investigadores de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea FA9550-18-1-0192, gerente del programa: Dr. Ming-Jen Pan y la National Science Foundation CMMI-1762567.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Sur de California . Original escrito por Avni Shah. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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