Een nieuw raamwerk maakt afstembare voortplanting van ultrasoon geluid in metamaterialen op microschaal mogelijk

Akoestische metamaterialen – ontworpen materialen met op maat gemaakte geometrieën die zijn ontworpen om de voortplanting van akoestische of elastische golven door een medium te controleren – zijn uitgebreid bestudeerd met behulp van computationele en theoretische methoden. Fysieke realisaties van deze materialen zijn tot nu toe beperkt gebleven tot grote afmetingen en lage frequenties.

“De multifunctionaliteit van metamaterialen – die tegelijkertijd licht en sterk zijn en tegelijkertijd instelbare akoestische eigenschappen hebben – maakt ze tot uitstekende kandidaten voor gebruik in technische toepassingen onder extreme omstandigheden”, legt Carlos Portela uit, de Robert N. Noyce Career Development Chair en assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Californië. MIT.

“Maar uitdagingen bij het miniaturiseren en karakteriseren van akoestische metamaterialen bij hoge frequenties hebben de vooruitgang in de richting van het realiseren van geavanceerde materialen met mogelijkheden voor ultrasone golfcontrole belemmerd.”

Een nieuwe studie mede geschreven door Portela; Rachel Sun, Jet Lem en Yun Kai van de MIT Department of Mechanical Engineering (MechE); en Washington DeLima van het Amerikaanse ministerie van Energie Kansas City National Security Campus presenteert een ontwerpraamwerk voor het beheersen van de voortplanting van ultrasone golven in microscopisch kleine akoestische metamaterialen.

Een paper over het werk, “Tailored Ultrasound Propagation in Microscale Metamaterials via Inertia Design”, werd gepubliceerd gepubliceerd in het journaal Wetenschappelijke vooruitgang.

“Ons werk stelt een ontwerpraamwerk voor dat is gebaseerd op het nauwkeurig positioneren van bollen op microschaal om af te stemmen hoe ultrasone golven door 3D-metamaterialen op microschaal reizen”, zegt Portela. “Concreet onderzoeken we hoe het plaatsen van microscopisch kleine bolvormige massa’s in een metamateriaalrooster invloed heeft op hoe snel ultrasone golven zich daar doorheen verplaatsen, wat uiteindelijk leidt tot golfgeleiding of focusseringsreacties.”

Door middel van niet-destructieve laser-ultrasone karakterisering met hoge doorvoer demonstreert het team experimenteel afstembare elastische golfsnelheden in materialen op microschaal. Ze gebruiken de gevarieerde golfsnelheden om de golfvoortplanting in materialen op microschaal ruimtelijk en in de tijd af te stemmen, en demonstreren ook een akoestische demultiplexer (een apparaat dat één akoestisch signaal in meerdere uitgangssignalen scheidt).

Het werk maakt de weg vrij voor apparaten en componenten op microschaal die nuttig kunnen zijn voor echografie of informatieoverdracht via echografie.

“Met behulp van eenvoudige geometrische veranderingen breidt dit ontwerpraamwerk de afstembare dynamische eigenschappenruimte van metamaterialen uit, waardoor een eenvoudig ontwerp en fabricage van akoestische metamaterialen en apparaten op microschaal mogelijk wordt”, zegt Portela.

Het onderzoek bevordert ook de experimentele mogelijkheden, waaronder de fabricage en karakterisering, van akoestische metamaterialen op microschaal richting toepassing in medische echografie en mechanische computertoepassingen, en onderstreept de onderliggende mechanismen van de voortplanting van ultrasone golven in metamaterialen, waarbij dynamische eigenschappen worden afgestemd via eenvoudige geometrische veranderingen en deze veranderingen worden beschreven als een functie van veranderingen in massa en stijfheid.

Belangrijker nog is dat het raamwerk vatbaar is voor andere fabricagetechnieken buiten de microschaal, waarbij slechts één enkel samenstellend materiaal en één 3D-basisgeometrie nodig zijn om grotendeels afstembare eigenschappen te verkrijgen.

“Het mooie van dit raamwerk is dat het fysieke materiaaleigenschappen fundamenteel koppelt aan geometrische kenmerken. Door bolvormige massa’s op een veerachtig rooster te plaatsen, kunnen we directe analogieën creëren voor de manier waarop massa de quasi-statische stijfheid en dynamische golfsnelheid beïnvloedt”, zegt Sun, eerste auteur van het onderzoek.

“Ik realiseerde me dat we honderden verschillende ontwerpen en bijbehorende materiaaleigenschappen konden verkrijgen, ongeacht of we de materialen trilden of langzaam samendrukten.”