未来的声音“计算机”使用鲨鱼皮的新型声学智能材料

水下潜水艇

Founded in 1880, the University of Southern California is one of the world's leading private research universities. It is located in the heart of Los Angeles." class="glossaryLink ">USC.研究人员通过触发对声音的不同响应来创建可以模仿电气设备的智能材料。

从我们用来聆听我们最喜欢的歌曲或播客的耳机,到潜艇雇用的声音伪装,我们如何传播和经验声音是我们如何与周围世界互动的重要组成部分。声学超材料是设计用于控制,直接和操纵声音的材料,当它们通过不同的媒体时。因此,它们可以设计和插入到抑制或发射声音的结构中。

问题是,传统的声学超材料具有复杂的几何形状。经常由金属或硬塑料制成,一旦创造出来,它们就无法改变。例如,在潜水艇中构造以抑制出噪声的声学设备,以便它可以实现隐身。如果出现不同的条件,例如盟友潜艇希望与通过通信,则相同的声学设备不允许在外部传输声音。

南加州大学的一组研究人员,由Sonny Astani土木与环境工程系的助理教授王启明领导,创造了一种新的智能材料,可以根据需要适应声音传输的变化。“使用传统的声学超材料,你可以创造一种结构,实现一种性能。有了这种新型智能材料,我们可以用一种结构实现多种性能。”在对这种新材料的研究中,王和他的团队发现他们的智能材料有能力重现电子设备(如开关)固有的特性,从而显示出智能声音传输的前景——声音“计算机”。

王某和他的团队,包括USC Viterbi Ph.D.候选人Kyung Hoon Lee,Kunhao Yu,Xin和Zhangengrong Feng,以及博士后学者Hasan Al Ba'aa,详细介绍了他们的论文中的调查结果“Sharkskin-Inspisired Magnetroactive可重新配置声学超材料,“最近发表在研究.受鲨鱼皮肤表面皮肤齿的双重特性的启发,该团队创造了一种新的声学超材料,其中含有磁敏纳米颗粒,可以在磁刺激的力量下弯曲。这种磁力可以根据需要远程改变结构,适应不同的传输条件。

在一个设备中调制多种声学特性

研究人员的声学超材料由橡胶和铁纳米粒子的混合物制成。橡胶提供柔韧性,使材料可逆地且反复弯曲和弯曲,而铁使材料响应于磁场。

为了使结构对声音输入做出反应,Wang和他的团队必须组装材料,使它们之间的共振——mie共振——允许改变声音传播——或者阻塞或传导声音输入。如果两根柱子靠得更近,声波就会被有效地截留下来,无法传播到结构的另一侧。相反,如果两柱之间的距离更远,声波就很容易通过。“我们使用外部磁场来弯曲柱子和展开柱子,以实现这种状态切换,”主要作者李说。结果就是从一个阻碍声波传播的位置转变为一个有效传导声波的位置。与传统的声学超材料不同,它不需要直接接触或压力来改变材料的结构。

一个良好的“计算机”

王和他的团队能够展示他们的智能材料如何模仿三个关键电子设备:开关,逻辑门和二极管。磁敏材料与磁场的相互作用操纵声学传输,以便产生像电路的功能。

要更好地理解,让我们来看看这三种电子设备中的每一个如何工作。

交换机允许通道接通和关闭,例如,在降噪耳机中。在这个例子中,使用由智能声学超材料构建的结构,您可以调整磁场,使MIE谐振器支柱弯曲并允许外部噪声通过。王说,在另一个例子中,可以关闭磁场,柱子将保持垂直,阻挡外部噪音。

逻辑门是建立在这个想法之上的,它根据不同输入通道的刺激触发决策。以潜艇为例,也许你希望声学设备能调制多种条件,而不是单一条件:当它收到一个弱信号和一个强信号时就攻击,但当它收到两个强信号时就逃跑。为了允许多个场景成为决策的一部分,您通常需要多个设备,每个设备都针对不同的场景进行架构设计。与门操作符描述了一种只有当输入通道都强时才会触发特定响应的声学设备。OR门操作符描述了一种声学设备,当两个信号中的任何一个强时,该设备将触发一个确定的决定。使用传统的声学超材料,您只能创建一个操作员,因此只能响应一种条件。通过研究人员开发的新型智能声学超材料,Wang说,你可以根据需要从AND门切换到OR门操作器。在潜艇的例子中,这意味着利用磁场,你可以改变触发攻击命令的条件,而无需建造新的声学设备。

最后,有一个二极管。二极管是一种装置,其中声学强度在一个方向上高并且在另一个方向上低,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,但再次,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改变为导体状态,这允许在两个方向上传输,而不是仅一个方向。这在潜艇上的声波伪装的例子中发挥作用,其中有时您希望声学设备仅允许声音只在一个方向上行进和其他时间,您希望它在两个方向上可传输。

“传统的声学超材料从未实现过这样的改变,”王说。

下一步

现在,王和他的团队一直在测试他们的材料。接下来,他们希望在水下进行相同的属性,看看它们是否可以在超声波范围内获得相同的特性。

“Rubber is hydrophobic, so the structure won’t change, but we need to test if the materials will still have tunability under an external magnetic field,” Wang said, noting the water will have more resistance and thus add more friction to the situation.

参考文献:“受鲨鱼皮肤启发的磁活性可重构声学超材料”,Kyung Hoon Lee, Kunhao Yu, Hasan Al Ba 'ba 'a, An Xin, Zhangzhengrong Feng, Qiming Wang, 2020年2月5日,研究
DOI:10.34133 / 2020/4825185

本研究由空军科研办公室青年研究员计划(fa950s -18-1-0192,项目经理:潘明仁博士)和国家科学基金(CMMI-1762567)资助。

是第一个评论在“未来声音”计算机“上使用鲨鱼皮的新声学智能材料”

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