Akustik Metamalzemeler Nedir?

Aklıtsal metamalzemeler, organik olmayan dalgalar üzerinde negatif yoğunluklar, atomik toz yoğunluğundan ziyade, kompozisyonları tarafından büyük ölçüde sabitlenir (zorsuzluk, elastiklik), metamalzemeler, doğa içinde var olmayan etkili özellikler sergilemek için tasarlanmıştır - negatif yoğunluk, negatif yoğunluk, negatif dalgalar gibi -toplayıcılar, onlu kütle yoğunluğu gibi - bu da uzun süre boyunca yayılan iskeletler ile yönlendirilmelerine izin verir.

Elektromanyetik metamalzemelerde daha önce yapılan konsept, ışık ve radyo dalgalarını manipüle eden ve bu tür yöntemlere dayanan mekanik baskı dalgaları için analog ilkeler kullanılarak tasarlanmaktadır, ancak düşük frekanslı gürültü iptali (yaklaşık 50-500 Hz) gibi malzemeler, yüksek frekanslı ultrasonik dalgalara odaklanır.

Nasıl çalışır?

Aklıt metamalzemeler iki temel fiziksel mekanizmayı kullanır: Resonant saç ve non-resonant (geometri) dalga kılavuzu. Analarında, alt dalga uzunluğundaki birim hücreleri, normal sağlam parametrelerle etkileşime girebilmenin bir şekilde tasarlanır, membran temelli reson katatörler veya bölünmüş resonlar için iki kritik parametredir.

Resonant Mechanisms

Helmholtz resonatörler en yaygın bina bloklarıdır. Bir Helmholtz resonator, dış alana dar bir boyunla bağlı küçük bir boşluktan oluşur. ses dalgalarının grevi, havanın içinde vibrates, iki-öprümanlı davranışın geri çekilmesi, ikiz-negatif davranışın geri çekilmesine olanak sağlar.Bu, süperiçekli baskı ve etkili ortamın dinamik yoğunluğu olumsuz yönde olur.

Non-Resonant Architectures

Türlü olmayan tasarımlar, örneğin bantlanmış veya laboratuvarlı kanallar gibi, faz gecikmelerini oluşturmak için geometrik yol uzunluğu farklılıkları kullanın.Sürücük yol sayesinde sesin etkili hızı yapay olarak azaltılır, yüksek refraktif indeksler verir.Bu, eğimli gürültü filtreleme ve akustik diyotlar için benzer şekilde kullanılabilir.

Key Phenomena Enabled

  • [FONT=0]Negative refraction:[Dönetici:[Dönetici: 0) Sound dalgaları normale doğru doğru doğru yönde eğilir, diffraction limitini yenen düz süperleri sağlar.
  • [FONT:0) Akustik bir pıhtılaşma:[Döneticisel yoğunluk ve modulus ile metamalzeme kabukunu tasarlayarak, ses dalgaları, nesne akustik olarak görünmez hale getirmeksizin bir nesne etrafında yönlendirilebilir.
  • [FONT:0)Perfect absorpsiyon:[Dönetici:0)[Dönetici)[Döneticileri) çevreleyen ortaya indirgemek ve yeniden ortaya çıkan kayıpların neredeyse% 100'ünü dar bantlar üzerinde karıştırabilir, gürültü azaltma için kullanışlı.
  • [FONT:0) Hayırlı iletim: Doğru olmayan veya hareketli parçalar kullanarak, metamalzemeler zaman zaman-gerçek simetriyi kırabilir, sesin tek bir yönde seyahat etmesine izin verebilir, ancak akustik isolatörler için anahtar bir bileşen.

Bu mekanizmaları anlamak homojenizasyon teorisi kullanarak etkili ortanın tipik analizi gerektirir, metamalzeme etkili parametrelerle sürekli olarak modellenir. Finite-element simülasyonlar (COMSOL, ANSYS) çok yaygın olarak ünite hücreleri tasarlamak ve optimize etmek için kullanılır.

Acoustic Metamates Uygulamaları

Gürültü Azaltımı ve Seslendirme

Geleneksel ses çıkarmak için kalınlık ve yoğunluktan yararlanın, genellikle 200 Hz'de ortaya çıkan olay seslerini absorbe etmek için güçlü bir absorpsiyon elde edebilir, özellikle de konvansiyonel malzemelerin kötü performans gösterdiği düşük frekanslarda, bir membran tipi metamalzemeler ve mimari paneller için.[Döneticiler) 200 Hz.

Tıbbi Görüntüleme ve Ultrasound

Super-devasyon en umut verici tıbbi uygulamalardan biridir. Konvansiyonel ultrason, yaklaşık yarım aklık limitine (~0.5 mm yaygın frekanslarda) diferansiyel metamalzeme lensleri, alt dalga uzun ayrıntılarına geri dönebilir, kararın ⁇ /10 veya daha iyi iyileştirilmesi ile sınırlıdır.Uygulamada, cilt üzerinde yerleştirilen bir metamalzeme lensleri, erken aşamalardaki tabletlerin tespit edilmesinden daha küçük olarak gösterilebilir.Ücretsiz tümörler veya damarlar arasındaki bağlantıların geliştirilmesi.Ücretsizler Üniversitelerarası Tıp Merkezi[Düzücüler)

Akustik Cloaking

Aklıtlı yapıların, 2013 yılında Duke Üniversitesi araştırmacıları tarafından kanıtlanan bir nesne etrafında farklı şekillerde tasarlanmıştır, böylece akustik olarak mevcut değildir - yansıma yoktur, gölge. Conform pıhtıları genişleyen, kısmi pıhtılar uzaysal olarak farklı özellikleriyle, oğlumuz dalgalarını kolayca kontrol etmek için tasarlanmıştır. İlk olarak 2013 yılında Duke Üniversitesi araştırmacıları tarafından kanıtlanan ilk canlılar için - üç boyutlu nesneler için daha geniş bantlar üzerinde çalışmak için tasarlanmıştır.Eğer tam olarak tam olarak tüm bu türkçeler, büyük ölçüde genişleyen, kısmi pıhtılar, transistörlü algılama aralıkları azaltılabilir.

Mimari Akustik

Konser salonları ve denetçiler, diffüzlerin dikkatli yerleştirilmesine, reflektif yapılaratik metamalzemeler ve ses açıklıklarını yönetmeye yardımcı olabilirler. Metamal diffüzerler Helmholtz resonatörler klasik Schroederler için seçici olarak absorbe edilebilir veya bazı frekansları yansıtabilir.Bu nedenle, mimarlar akustik yapılardan gelen akustik reziğe odaklanabilir.

Sualtı İletişim ve Sonar

Sualtı ortamlarda, ses, uzun mesafe iletişimin birincil yoludur. Metamal yapılar sadece transdüser önünde yerleştirilen metamalzeme lensi, kirişi neredeyse mükemmel bir şekilde yükselterek, denizaltı kaplamaları için geliştirilmiş olan metamalzemeler oluşturabilir.

Meydanlar ve Sınırlar

Olağanüstü söze rağmen, akustik metamalzemeler yaygın olarak kabul edilen birkaç engelle karşı karşıyadır. Üretim karmaşıklığı ve maliyet birincil engellere sahip olabilir. Birçok metamalzeme tasarımları, özellikle de geleneksel üretim sınırlarını zorlayan ünitedir. Örneğin, 3D baskı karmaşık resonator dizileri yavaş ve pahalıdır ve plastik üretim yöntemleri gerekli toleransları elde edemez.

Band genişliği başka bir sınırlamadır. Birçok metamalzeme etkisi - özellikle olumsuz yoğunluk ve negatif modulus - sadece etkili aralıkları genişletmek için çoklu rezonanslar sağlar, ancak bu karmaşıklık ve baskı değişiklikleri aynı zamanda tam olarak algılama veya aktif kontrol sistemleri gibi genişleyen uygulamalar için de uygun olmayan bir şekilde yeniden kullanılabilir.

Durability ve çevresel istikrar daha fazla sorun mevcut. Metal veya polimer resonatörler, yüksek hacimli ses ortamlarında zaman geçirebilirler (örneğin, jet motorları). Su ingress küçük kanallar veya değişim rezonans frekansı. tıbbi kullanım için, biyokompatlanabilirlik ve sterillik, mevcut sistemlerle entegrasyon - geleneksel absorpsiyon malzemeleriyle çatışan metamalzeme panelleri gibi - yansıma kayıpları önlemek için hassas bir şekilde uyumlu.

Future Yol ve Gelişen Araştırma

Sonraki on yıl muhtemelen akustik metamalzemelerin daha küçük, daha ucuz ve daha çok yönlü hale geldiğini görecek. Katkı üretim ilerlemeleri - sürekli sıvı arayüz üretimi (CLIP) ve çok boyutlu baskı - etkili bir sertlik maliyeti ve karmaşık geometriler sağlayacaktır. Araştırmacılar aynı zamanda akustik özelliklerini gerçek zamanlı olarak adapte etmek için meta-atomlar geliştiriyorlar: zoelektrik elementlerine baskı yapabilir ve form-memory alaşımları veya magnetostrik malzemeler kullanarak.Bu, etkili bir metamalzeme panelini gerçek zamanlı olarak adapte edebilir.

Makine öğrenimi ile akustik metamalzemeler umut verici bir yöndür. Neural ağlar belirli hedef yanıtları için optimize edilmiş ünite hücreleri tasarlamak için eğitilmiş olabilir, tasarım döngüsü için dramatik bir şekilde hızlanır. Otomatik incel tasarım zaten elektromanyetik metamalzemeler için kullanılabilir ve akustik versiyonları için adapte edilir. ek olarak, [[0) metamalzemeler Bu basit ikili düzenlemeleri (örneğin, standart bir cep telefonu için “0”, holografik dalgalama için kullanılabilir.

Başka bir sınır metamalzemelerle metamalzeme-inspired phononik kristallerle entegrasyondur - belirli yönlerde ses yayılımını yasaklayan gruplarla yapılandırın.Grupgap ve negatif-refraction etkilerle, araştırmacılar ses işlemesini kullanarak “kuvvetli diyotlar” ve “aksikletme transistörleri” oluşturmayı umuyoruz.Bu, tüm optik hesaplamalara doğru doğru iletişim kurmada olan düşük güç işitme cihazı ve ultrason cihazlarına doğrudan geçiş yapmadan, uzun vadede, elektrikle dönüşüm olmadan.

Ticarileştirme standart test yöntemleri ve tasarım kütüphaneleri olarak hızlanacaktır. Bazı startuplar, örneğin [[Üyetim:0)MetaFotam) ve [[Üye Olmayanlar[DÜye Olmayanlar[DÜye Olmayanlar İçin Standartlar), zaten beş ila on yıl içinde prototip metamalzeme paneller sunuyor.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Akustik metamalzemeler ses manipülasyonunda bir paradigma değişikliğini temsil eder. Alt dalga uzunluğundaki ölçeklerde malzeme yapısını tasarlayarak, mühendisler bir zamanlar bilim kurgu olan özellikleri ile etkili bir medya yaratabilirler: negatif yoğunluk, negatif modulus, mükemmel absorpsiyon ve akustik inviability. Uygulamalar, ses görüntü ve sualtı ses görüntünün ve sualtınlıkların bir parçası haline gelirken, katkı maddeleri ile hızlı ilerleme, aktif malzemeler ve AI-güdümlü tasarım bu malzemeleri, ticari gerçekliklere daha yakınlaştırır.