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受鲨鱼皮启发全新声学智能材料诞生!可随声音

作者:5分赛车时间:2020-06-15 00:52

  从我们用来听最喜欢歌曲或播客的耳机,到潜艇使用声波伪装,我们如何传递和体验声音是我们与周围世界互动的一个重要部分。

  今天给大家介绍一下“声学超材料”,所谓的“声学超材料”就是专门用来控制、引导和操纵声波通过不同介质的材料,因此,它们可以被设计并插入到一个结构中来减弱或传播声音。

  “声学超材料”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,一旦被制造出来,就无法更改。例如,一种声学装置可以减弱潜艇发出的声音,从而达到隐身的效果。但如果情况有变,例如潜艇想要与经过的伙伴通信,相同的声学设备将不允许声音从外部传播。

  一个南加州大学的研究小组,由桑尼阿斯塔尼土木与环境工程系助理教授 Qiming Wang 领导,创造出一种新的智能材料,可以根据声音传输的需要而随之变化。

  Qiming Wang 带领的团队包括南加州大学的博士申请人 Kyung Hoon Lee、Kunhao Yu、An Xin 和 Zhangzhengrong Feng,以及博士后学者 Hasan Al Babaa,于最近发表在《研究》杂志上了论文《受鲨鱼皮启发研发出经磁激活可重构的声学超材料》,当中详细介绍了他们的研究结果。

  受鲨鱼皮肤表面的真皮齿状装饰所具有的双重特性的启发,研究小组发明了一种新的声学超材料,这种材料含有磁性敏感的纳米颗粒,在磁力刺激下可以弯曲。这种磁力可以根据需要远程改变结构,适应声音不同的传播条件。

  “声学超材料”在技术上被定义为任何材料,其微观结构能以正常情况下不会弯曲的方式弯曲光线。这种特性被称为折射率,即真空中光速与光波顶端传播速度之比。声学超材料在概念上基本相同,除了声波而不是光。

  鲨鱼皮很神奇,任何接触过鲨鱼的人都知道,如果你从头到尾抚摸鲨鱼,它的皮肤会感觉很光滑。然而,反过来看,它就像砂纸一样。这是因为鲨鱼全身都有微小的半透明鳞片,大约0.2毫米大小,被称为“齿状体”(因为它们非常像牙齿),尤其是集中在鲨鱼的两侧和鳍上。它就像鲨鱼的一套盔甲,通过减少阻力使动物更有水动力,这是他们游得这么快的原因。

  这种本质上“调节”阻力大小的内在能力引起了南加州大学科学家的注意,他们认为声学超材料可以沿着类似的路线构建,用一个声学装置就可以实现多种特性。使用传统的声学超材料,可以创建一种结构,并获得一种特性。有了这种新型智能材料,就可以用一种结构实现多种性能。

  研究人员制造的声学超材料是由橡胶和纳米铁颗粒混合制成的。橡胶提供了灵活性,允许材料可逆地反复弯曲,而铁使材料对磁场作出反应。

  为了使这些结构对声音输入做出响应,Qiming Wang 和他的团队必须将这些材料组合起来,使它们之间的共振——米氏共振——允许声音传播的变化,要么阻止声音输入,要么传导声音输入。如果两根柱子靠得更近,声波就会被有效地截留,从而无法传播到建筑物的另一边。相反,如果两根柱子相距较远,声波就很容易通过。

  他们利用外部磁场弯曲和伸直柱子来实现这种状态转换。其结果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,不需要直接接触或压力来改变材料的结构。

  更有趣的是,该团队模拟了他们的智能材料如何模拟三个关键的电子设备:一个开关、一个逻辑门和一个二极管。磁敏材料与磁场的相互作用以一种类似于电路的方式来操纵声波的传播。一个开关允许一个通道被打开和关闭,例如,在噪声消除耳机中。使用智能声学超材料构建的结构,可以调整磁场,使米氏谐振器柱体弯曲并允许外部噪声通过。在另一种情况下,可以关掉磁场,柱子就会保持垂直,阻止外部噪音通过。

  逻辑门也建立在这个想法上,通过触发基于输入到不同输入通道的刺激的决策。以潜艇为例,或许你想让声学设备调节多种情况,而不是单一情况:当它接收到一个弱信号和一个强信号时攻击,但当它接收到两个强信号时逃跑。为了允许多个场景成为决策的一部分,你通常需要多个设备,每个设备都针对不同的场景进行了架构设计。与(AND)门运算符描述了一种仅在输入通道都是强的情况下才触发特定响应的声学设备。或(OR)门运算符描述了一种声学装置,当两个信号中的任何一个强时,它将触发某种决定。

  最后,还有一个二极管。二极管是一种声学强度在一个方向上高而在另一个方向上低的装置,因此它提供了声波的单向传输。传统的声学超材料可以让你做到这一点,但同样,你不能改变状态。使用这种新型的智能声学超材料,你可以从二极管状态转换成导体状态,从而实现双向传输,而不是单向传输。这在潜艇声伪装的例子中很有用,有时你会希望声学设备只允许声音在一个方向上传播,有时你希望它在两个方向上都可以传播。

  现在,Qiming Wang 和他的团队正在空中测试他们的材料。下一步,他们希望在水下测试相同的特性,看看能否在超声波范围内达到相同的特性。

  “橡胶是疏水性的,所以结构不会改变,但我们需要测试材料在外部磁场下是否仍然具有可调性。” Qiming Wang 说,并指出水将有更大的阻力,从而增加更多的摩擦情况。

  研究人员一直在通过精心设计能够控制声波或光波的特殊结构来提高材料的性能。然而,这些超材料是用固定的几何图形构造的,这意味着它们独特的能力总是固定的。除了上文提到的受鲨鱼皮启发,创造出含磁性纳米颗粒的智能声学材料,此前,同样是 Qiming Wang 领导的一个团队开发了新型 3D 打印超材料,可以在主动控制和被动状态之间进行远程切换。

  超材料可以用来操纵诸如雷达、声音和光之类的波现象,还可以用来开发诸如隐身装置以及改进通信系统等技术。该团队的超材料能够控制环境声音和结构振动,它们具有类似的波形。通过3D打印一种晶格结构中含有铁粒子的可变形材料,可以利用磁场对其进行压缩。

  磁场压缩材料,但不像金属板那样的物理接触力,材料不受约束。因此,当声波或机械波接触材料时,它会使材料产生扰动,从而产生独特的特性,阻止声波和特定频率的机械振动通过。

  根据他们之前的系统,只能打印出直径在一微米到一毫米之间的3D材料。但尺寸很重要。较小的光束控制较高的频率波,较大的光束影响较低的频率波。

  “智能控制声学和振动确实有许多潜在应用。” Kun-Hao Yu说,“传统的工程材料可能只能屏蔽声音和振动,但很少有材料可以进行开关。”而如今,他们受鲨鱼皮启发研制出的智能声学超材料终于做到了!

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