Les métamatériaux acoustiques à enroulement spatial sont statiques et nécessitent une reconfiguration manuelle pour la modulation du champ sonore. Dans un nouveau rapport publié dans Communications Materials , Christabel Choi et une équipe de scientifiques en informatique et en ingénierie au Royaume-Uni et en Italie, ont développé une approche de reconfiguration active avec une dynamique autonome pour les cellules unitaires de bobines spatiales connues sous le nom de méta-briques dynamiques.
Les méta-briques abritaient un volet élastomère actionnable, magnétorhéologique, pour fonctionner comme un interrupteur et réguler directement les ultrasons transmis. Les scientifiques ont montré la synergie entre la reconfigurabilité active et passive pour développer des métamatériaux multifonctionnels avec des degrés de liberté supplémentaires, pour la conception et la mise en œuvre.
L’ère actuelle des matériaux intelligents a vu l’essor des métamatériaux pour innover dans les technologies de manipulation du son. Des projets de reconfiguration ont récemment exploré les métamatériaux acoustiques pour améliorer les applications complexes de mise en forme des ondes, notamment la lévitation acoustique, le masquage et l'imagerie holographique.
Les chercheurs peuvent réguler stratégiquement la forme physique et la composition d’une structure à la demande pour permettre une plus grande flexibilité fonctionnelle et un plus grand déploiement. Pour obtenir une fonctionnalité en temps réel, les scientifiques ont modulé le champ sonore lors de l'actionnement en utilisant un métamatériau acoustique transmissif comme plate-forme pour explorer la synergie entre la reconfigurabilité active et passive d'une métasurface afin d'obtenir un résultat modifié.
Dans ce travail, Choi et ses collègues ont montré qu'une métasurface ne nécessitait pas une nature entièrement dynamique pour générer une sortie dynamique. Classiquement, une métasurface active peut être formée à partir d'un ensemble complet de cellules unitaires activement reconfigurables avec un degré élevé de complexité électronique et informatique.
Les scientifiques ont combiné des méta-briques statiques et dynamiques pour créer des piles de méta-briques hybrides au sein de la métasurface. Les chercheurs ont placé les méta-briques dynamiques sur les bords des métasurfaces et les ont régulés magnétiquement pour permettre une modulation sonore précise via des simulations et des expériences.
Les ingénieurs du son n’ont jusqu’à présent réalisé la lévitation acoustique qu’avec des métamatériaux statiques. La capacité de moduler les ultrasons en temps réel a des implications dans divers domaines, notamment la récupération d’énergie. Les applications audio commerciales peuvent, par exemple, utiliser des métamatériaux pour permettre à un faisceau sonore étroit d'être dirigé dynamiquement vers des emplacements spécifiques à la demande. Ce travail montre une méthode pour concevoir des métamatériaux polyvalents, réglables et multifonctionnels de nouvelle génération.
La présence de protubérances internes sur les parois latérales d’une méta-brique peut créer un chemin labyrinthique dans lequel les ondes sonores peuvent circuler. Alors que les méta-briques peuvent être dimensionnées pour fonctionner à des fréquences plus basses, les volets peuvent être conçus pour fonctionner à une fréquence ultrasonore aéroportée de 40 kHz; adapté à la manipulation sans contact et au retour haptique.
En utilisant un élastomère magnétorhéologique, l’équipe a évité les mécanismes conventionnels de type charnière en raison des quantités élevées de friction associée, afin d’obtenir un angle de déviation maximal pour la méta-brique. Le battement binaire actif a facilité le cheminement à l'intérieur de la méta-brique pour former un labyrinthe modifiable pour transférer les ondes acoustiques en temps réel.
Choi et ses collègues ont développé une méta-brique dynamique dans laquelle les composants externes faisaient référence à la coque de la méta-brique et les composants internes faisaient référence à des volets statiques et dynamiques de différentes longueurs. L'équipe a développé la coque en méta-brique ainsi que les rabats statiques et dynamiques via des méthodes d'impression et de moulage tridimensionnelles.
Pour le moulage, les scientifiques des matériaux ont utilisé des plaques de verre planaires, développées à partir de nanoparticules magnétiques synthétiques mélangées à Ecoflex et coulées dans des moules imprimés en 3D.
Ils ont placé les moules sur un aimant pendant le processus de durcissement et ont utilisé une combinaison de lavage et de trempage à température élevée pour éliminer les inhibiteurs de polymérisation. L'équipe a moulé chaque rabat avec une épaisseur constante et un coefficient de variation.
Après avoir assemblé la méta-brique dynamique, ils l’ont actionnée avec un aimant permanent. Lors de l'actionnement, le volet s'est rapidement déplacé vers le mur. En présence du champ magnétique, le volet était soutenu et stable, tandis que lorsqu'il n'était pas actionné par un aimant, le volet restait dans son état d'origine.
L'équipe a mené des simulations et des tracés expérimentaux pour montrer comment les états d'actionnement combinés affectaient la transmission dans un petit réseau dynamique ; les résultats étaient en bon accord. Alors que chaque méta-brique permettait un déphasage spécifique, les méta-briques physiquement combinées dans une métasurface formaient un déphasage combiné en tant que sortie acoustique collective.
Les chercheurs ont obtenu le champ sonore de sortie souhaité en prédéfinissant les valeurs de phase pour déterminer le type de méta-brique requis pour évaluer leur placement les unes par rapport aux autres.
En incluant un petit nombre de méta-briques dynamiques actionnées localement, ils ont fait fonctionner dynamiquement une métasurface globale autrement statique. Dans un premier temps, ils ont régulé le volet magnétique au sein de la méta-brique dynamique, puis ont évalué les méta-briques au sein d’une métasurface par empilement. Alors que les piles statiques ont été formées en plaçant une méta-brique statique au-dessus d'une autre structure similaire, les piles dynamiques combinaient les deux pour créer une supercellule verticale.
Lévitation acoustique dynamique
Cho et ses collègues ont effectué des mesures de pression en activant et en désactivant les métasurfaces pour visualiser la modulation en temps réel du champ sonore. Ils ont conçu des métasurfaces composites jumelles empilées pour démontrer et contenir les faisceaux focalisés. L'équilibre de la pression acoustique à l'intérieur de ces confinements pourrait pincer les objets dans les régions à faible pression acoustique.
Pour la validation expérimentale, l’équipe de recherche a déplacé une bille légère de polystyrène entre les deux compartiments. Lors de l'actionnement, la perle n'est pas tombée, ce qui indique comment la modulation rapide du champ sonore pouvait maintenir la lévitation acoustique.
De cette manière, Christabel Choi et son équipe ont introduit les méta-briques dynamiques comme paradigme pour concevoir des métamatériaux acoustiques dynamiques qui ont émergé à la pointe de l'innovation en matière de technologies de manipulation du son. Les scientifiques des matériaux ont exploré attentivement ce créneau pour améliorer les applications complexes de mise en forme des ondes, notamment la lévitation acoustique, le masquage, l'orientation du faisceau et l'imagerie holographique.
En incluant un petit volet magnétique dynamique, les scientifiques ont transformé une méta-brique statique en une construction dynamique et ont combiné les deux pour produire plus d'une sortie sous forme de métasurface dynamique. Les résultats pourraient ouvrir la voie à des conceptions plus sophistiquées.
L’équipe a exploré les résultats expérimentaux avec un modèle théorique et via des simulations COMSOL Multiphysics pour montrer leur excellent accord. De tels actionneurs peuvent être fonctionnalisés, structurés ou revêtus pour fournir des fonctionnalités supplémentaires aux systèmes fluidiques et aux vannes. Ces approches interdisciplinaires pourraient ouvrir la voie au développement de la prochaine génération de métamatériaux.
Plus d'informations : Christabel Choi et al, Un métamatériau ultrasonique transmissif labyrinthique dynamique à actionnement magnétique, Matériaux de communication (2024). DOI :10.1038/s43246-023-00438-4
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