受鯊魚皮啟發,全新聲學智能材料誕生!可隨聲音傳輸的需要而變化

圖片來源：視頻截圖

從我們用來聽最喜歡歌曲或播客的耳機，到潛艇使用聲波偽裝，我們如何傳遞和體驗聲音是我們與周圍世界互動的一個重要部分。聲學超材料就是用來控制、引導和操縱聲波通過不同介質的材料，因此，它們可以被設計並插入到一個結構中來減弱或傳播聲音。

問題是，傳統的聲學超材料具有複雜的幾何形狀，它們通常由金屬或硬塑料製成，一旦被製造出來，就無法更改。例如，一種聲學裝置可以減弱潛艇發出的聲音，從而達到隱身的效果。但如果情況有變，例如潛艇想要與經過的夥伴通信，相同的聲學設備將不允許聲音從外部傳播。

一個南加州大學的研究小組，由桑尼•阿斯塔尼土木與環境工程系助理教授Qiming Wang領導，創造出一種新的智能材料，可以根據聲音傳輸的需要而隨之變化。Qiming Wang說：「採用傳統的聲學超材料，你可以創建一個結構，實現某一個特性。而有了這種新的智能材料，我們可以用一個結構實現多種性能。」在研究這種新材料時，Qiming Wang和他的團隊發現，他們所研發的智能材料能夠重新創造電子設備固有的特性，比如開關，從而顯示出智能聲音傳播的前景——一臺聲音「計算機」。 

Qiming Wang帶領的團隊包括南加州大學的博士申請人Kyung Hoon Lee、Kunhao Yu、 An Xin和Zhangzhengrong Feng，以及博士後學者Hasan Al Ba'ba'a，於最近發表在《研究》雜誌上了論文《受鯊魚皮啟發研發出經磁激活可重構的聲學超材料》，當中詳細介紹了他們的研究結果。受鯊魚皮膚表面的真皮齒狀裝飾所具有的雙重特性的啟發，研究小組發明了一種新的聲學超材料，這種材料含有磁性敏感的納米顆粒，在磁力刺激下可以彎曲。這種磁力可以根據需要遠程改變結構，適應聲音不同的傳播條件。 

在一個設備中調製多個聲學特性

研究人員製造的聲學超材料是由橡膠和納米鐵顆粒混合製成的。橡膠提供了靈活性，允許材料可逆地反覆彎曲，而鐵使材料對磁場作出反應。 

為了使這些結構對聲音輸入做出響應，Qiming Wang和他的團隊必須將這些材料組合起來，使它們之間的共振——米氏共振——允許聲音傳播的變化，要麼阻止聲音輸入，要麼傳導聲音輸入。如果兩根柱子靠得更近，聲波就會被有效地截留，從而無法傳播到建築物的另一邊。相反，如果兩根柱子相距較遠，聲波就很容易通過。

「我們利用外部磁場彎曲和伸直柱子來實現這種狀態轉換。」論文主要作者Kyung Hoon Lee說。其結果是從一個阻礙聲波傳播的位置轉變為一個有效傳導聲波的位置。與傳統的聲學超材料不同，不需要直接接觸或壓力來改變材料的結構。

一臺聲音「計算機」

Qiming Wang和團隊演示了他們的智能材料如何模擬三個關鍵的電子設備：一個開關、一個邏輯門和一個二極體。磁敏材料與磁場的相互作用以一種類似於電路的方式來操縱聲波的傳播。 

為了更好地理解這一點，讓我們看看這三種電子設備是如何工作的。

一個開關允許一個通道被打開和關閉，例如，在噪聲消除耳機中。在本例中，使用智能聲學超材料構建的結構，你可以調整磁場，使米氏諧振器柱體彎曲並允許外部噪聲通過。Qiming Wang說，在另一種情況下，你可以關掉磁場，柱子就會保持垂直，阻止外部噪音通過。

邏輯門也建立在這個想法上，通過觸發基於輸入到不同輸入通道的刺激的決策。以潛艇為例，或許你想讓聲學設備調節多種情況，而不是單一情況：當它接收到一個弱信號和一個強信號時攻擊，但當它接收到兩個強信號時逃跑。為了允許多個場景成為決策的一部分，你通常需要多個設備，每個設備都針對不同的場景進行了架構設計。與（AND）門運算符描述了一種僅在輸入通道都是強的情況下才觸發特定響應的聲學設備。或（OR）門運算符描述了一種聲學裝置，當兩個信號中的任何一個強時，它將觸發某種決定。

使用傳統的聲學超材料，你只能創建一個運算符，因此只能響應一個條件。通過研究人員開發的新型智能聲學超材料，Qiming Wang說，你可以根據需要從與門轉換到或門操作符。以潛艇為例，這意味著利用磁場，你可以改變觸發攻擊指令的條件，而無需再造一個新的聲學設備。

最後，還有一個二極體。二極體是一種聲學強度在一個方向上高而在另一個方向上低的裝置，因此它提供了聲波的單向傳輸。傳統的聲學超材料可以讓你做到這一點，但同樣，你不能改變狀態。使用這種新型的智能聲學超材料，你可以從二極體狀態轉換成導體狀態，從而實現雙向傳輸，而不是單向傳輸。這在潛艇聲偽裝的例子中很有用，有時你會希望聲學設備只允許聲音在一個方向上傳播，有時你希望它在兩個方向上都可以傳播。

Qiming Wang說:「傳統的聲學超材料從來沒有實現過這樣的改變。」

現在，Qiming Wang和他的團隊正在空中測試他們的材料。下一步，他們希望在水下測試相同的特性，看看能否在超聲波範圍內達到相同的特性。

「橡膠是疏水性的，所以結構不會改變，但我們需要測試材料在外部磁場下是否仍然具有可調性。」 Qiming Wang說，並指出水將有更大的阻力，從而增加更多的摩擦情況。

3D列印超材料

研究人員一直在通過精心設計能夠控制聲波或光波的特殊結構來提高材料的性能。然而，這些超材料是用固定的幾何圖形構造的，這意味著它們獨特的能力總是固定的。除了上文提到的受鯊魚皮啟發，創造出含磁性納米顆粒的智能聲學材料，此前，同樣是Qiming Wang領導的一個團隊開發了新型3D列印超材料，可以在主動控制和被動狀態之間進行遠程切換。

南加州大學維特比工程學院的Qiming Wang和博士生Kun-Hao Yu，以及麻省理工學院的Nicholas Fang教授和密蘇裡大學Guoliang Huang教授，開發出了能夠阻擋聲波和機械振動的3D列印超材料。與當前的超材料不同，這些材料可以通過磁場遙控開關。他們的材料可以用來消除噪音，控制振動和聲音偽裝，可以用來隱藏物體免受聲波的傷害。

「當你製作一個結構時，幾何形狀不能改變，這意味著屬性是固定的。我們的想法是，我們可以設計一些非常靈活的東西，這樣你就可以通過外部控制來改變它。」

超材料可以用來操縱諸如雷達、聲音和光之類的波現象，還可以用來開發諸如隱身裝置以及改進通信系統等技術。該團隊的超材料能夠控制環境聲音和結構振動，它們具有類似的波形。通過3D列印一種晶格結構中含有鐵粒子的可變形材料，可以利用磁場對其進行壓縮。

「你可以施加一個外部磁力來變形結構，改變結構和內部的幾何形狀。一旦你改變了建築，你就改變了房子，」王說。「我們想要實現這種狀態之間的自由切換。利用磁場，開關是可逆的，而且速度很快。」

磁場壓縮材料，但不像金屬板那樣的物理接觸力，材料不受約束。因此，當聲波或機械波接觸材料時，它會使材料產生擾動，從而產生獨特的特性，阻止聲波和特定頻率的機械振動通過。

其機理依賴於材料的異常性質-負模量和負密度。在日常材料中，這兩個都是正的。

「具有負模量或負密度的材料可以通過局部共振在結構中捕捉聲音或振動，這樣它們就不能通過結構傳遞。」 Kun-Hao Yu說。

通常，當你推一個物體時，它會反推你。相反，具有負模量的物體會吸引你，當你推動它們時，它們會把你拉向它們。呈現負密度的物體也以同樣矛盾的方式運作。當你把這些物體推離你時，它們反而向你移動。

一個負特性，無論是負模量還是負密度，都可以在一定的頻率範圍內獨立地工作來屏蔽噪聲和停止振動。然而，當一起工作時，噪音或振動可以再次通過。該團隊能夠保持對超材料的多用途控制，在雙正極(聲音傳遞)、單負極(聲音阻塞)和雙負極(聲音傳遞)之間切換，只需切換磁場即可。

Qiming Wang說:「這是研究人員首次用遠程刺激證明了這三個階段之間的可逆切換。」

Qiming Wang認為，他們或許能夠證明另一種獨特的性質，即負折射，波穿過材料後以非自然的角度返回，根據Qiming Wang的說法，這是「反物理」的。他們計劃進一步研究這一現象，一旦他們能夠製造更強大的結構。

「我們想縮小或擴大我們的製造系統。」 Qiming Wang說，「這將給我們更多的機會來研究更大範圍的波長。」

根據他們之前的系統，只能列印出直徑在一微米到一毫米之間的3D材料。但尺寸很重要。較小的光束控制較高的頻率波，較大的光束影響較低的頻率波。

「智能控制聲學和振動確實有許多潛在應用。」 Kun-Hao Yu說，「傳統的工程材料可能只能屏蔽聲音和振動，但很少有材料可以進行開關。」而如今，他們受鯊魚皮啟發研製出的智能聲學超材料終於做到了！

原文來源：https://phys.org/news/2020-03-acoustic-smart-material-shark-skin.html

https://techxplore.com/news/2018-04-d-metamaterials-vibration.html

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