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研究人员创造了一种受鲨鱼皮启发的新型声学智

作者:EBET时间:2020-06-15 23:20

  从我们用来听自己喜欢的歌曲或播客的耳机,到潜艇使用的声音迷彩,我们如何传播和体验声音是我们与周围世界互动的重要组成部分。声学超材料是旨在控制,引导和操纵声波通过不同介质时使用的材料。这样,可以将它们设计并插入到结构中以衰减或传输声音。

  问题在于,传统的声学超材料具有复杂的几何形状。它们通常由金属或硬塑料制成,一旦创建,便无法更改。例如,一种声学设备,其构造为抑制潜艇中传出的声音,从而可以实现隐身性。如果出现不同的情况,例如潜水艇想与之通联的盟友,则相同的声学设备将不允许声音从外部传输。

  由桑尼阿斯坦尼(Sonny Astani)土木与环境工程系助理教授王启明领导的USC研究人员团队创造了一种新型智能材料,该材料可以根据需要适应声波传输的变化。Wang说:“使用传统的声学超材料,您可以创建一种结构并实现一种特性。使用这种新的智能材料,我们只需一种结构就可以实现多种特性。” 在研究这种新材料时,Wang和他的团队发现,他们的智能材料具有重新创建电子设备(如开关)固有的特性的能力,从而展示了智能声音传输(声音“计算机”)的前景。

  Wang和他的团队,包括USC Viterbi博士。候选人Kyung Hoon Lee,Kunhao Yu,An Xin和Feng Zhangzhengrong和博士后学者Hasan Al Babaaa在他们最近发表在《研究》上的论文“鲨鱼皮启发的磁活性可重构声超材料”中详细介绍了他们的发现。受到鲨鱼皮肤表面上的真皮细齿产生的双重特性的启发,该团队创造了一种新的声学超材料,其中包含对磁性敏感的纳米粒子,这些纳米粒子将在磁性刺激的作用下弯曲。这种磁力可以远程和按需更改结构,以适应不同的传输条件。

  研究人员创建的声学超材料是由橡胶和铁纳米颗粒的混合物制成的。橡胶具有柔韧性,使材料可逆地反复弯曲和弯曲,而铁使材料对磁场敏感。

  为了使结构响应于声音输入,Wang和他的团队不得不组装材料,使得它们之间的共振(米氏共振)允许改变声传输,从而阻止或传导声音输入。如果支柱靠得更近,则将有效地捕获声波,并防止声波传播到结构的另一侧。相反,如果支柱分开,则声波将容易通过。主要作者李说:“我们利用外部磁场弯曲支柱,使支柱弯曲,以实现这种状态切换。” 结果是从阻止声传输的位置转移到有效传导声波的位置。与传统的声学超材料不同,

  Wang和他的团队能够证明他们的智能材料如何模仿三个关键的电子设备:开关,逻辑门和二极管。磁敏材料与磁场的相互作用以产生类似于电路的功能的方式操纵声波传输。

  开关允许打开和关闭通道,例如在降噪耳机中。在此示例中,使用由智能声学超材料构建的结构,您可以调整磁场,以使Mie谐振器柱弯曲并允许外部噪声通过。在另一种情况下,您可以关闭磁场,支柱将保持垂直,从而阻止外部噪音通过。

  通过基于传入不同输入通道的刺激触发决策来建立逻辑门。就潜水艇而言,也许您想让声学设备调制多种条件,而不是单一的条件:在收到一个弱信号和一个强信号时发动攻击,但在收到两个强信号时逃避。为了使多个方案成为决策的一部分,您通常需要多个设备,每个设备都针对不同的方案而设计。“与”门运算符描述了一种仅当输入通道都较强时才会触发特定响应的声学设备。或门运算符描述了一种声学设备,当两个信号中的任何一个较强时,该声学设备都会触发特定的决策。使用传统的声学超材料,您只能创建一个操作员,因此只能响应一种情况。通过研究人员开发的新型智能声学超材料,Wang说您可以根据需要从“与”门切换为“或”门运算符。就潜艇而言,这意味着使用磁场,您可以更改触发攻击命令的条件,而无需构建新的声学设备。

  最后,有一个二极管。二极管是一种设备,其中声强在一个方向上较高,而在另一个方向上较低,因此它提供了声波的单向传输。传统的声学超材料将允许您执行此操作,但是同样,您无法更改状态。使用新的智能声学超材料,您可以从二极管状态更改为导体状态,从而可以双向传输,而不仅仅是一个方向。这在潜艇中的声音伪装示例中起作用,在该示例中,有时您会希望声学设备仅允许声音在一个方向传播,而在其他时候却希望声音在两个方向都可以传播。

  目前,王和他的团队一直在进行空气中材料的测试。接下来,他们希望在水下测试相同的特性,以查看它们是否可以在超声波范围内达到相同的特性。

  王说:“橡胶是疏水的,因此结构不会改变,但是我们需要测试这些材料在外部磁场下是否仍然具有可调谐性,”王说,并指出水将具有更大的阻力,因此会增加摩擦力。 。

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